激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)如何驗(yàn)證CANFD芯片的輻照閾值？

在現(xiàn)代航天電子系統(tǒng)中，CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-rate）芯片作為關(guān)鍵的通信接口元件，其可靠性與抗輻射性能直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。由于宇宙空間中存在的高能粒子輻射，芯片可能遭受單粒子效應(yīng)（Single Event Effects, SEEs），導(dǎo)致功能異常甚至失效。因此，驗(yàn)證 CANFD 芯片的輻照閾值，即確定其在何種輻射水平下能夠正常工作而不發(fā)生不可接受的單粒子效應(yīng)，是確保航天電子設(shè)備可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)作為一種高效、可控的地面測(cè)試手段，為這一驗(yàn)證過(guò)程提供了有力支持。本文將詳細(xì)介紹激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的原理、方法、過(guò)程以及如何通過(guò)該試驗(yàn)驗(yàn)證 CANFD 芯片的輻照閾值。

一、單粒子效應(yīng)概述

單粒子效應(yīng)是指高能粒子（如質(zhì)子、重離子等）穿過(guò)半導(dǎo)體器件時(shí)，由于電離作用在器件內(nèi)部產(chǎn)生大量電荷，從而引起器件性能異常的現(xiàn)象。根據(jù)不同的表現(xiàn)形式，單粒子效應(yīng)可以分為多種類型，如單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU, Single Event Upset）、單粒子鎖定（SEL, Single Event Latch-up）、單粒子功能中斷（SEFI, Single Event Functional Interrupt）等。這些效應(yīng)可能導(dǎo)致存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、器件電流異常增加甚至永久性損壞，對(duì)航天電子系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

二、激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)原理

激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)是利用高能激光束模擬宇宙空間中的高能粒子，通過(guò)精確控制激光的能量、注量等參數(shù)，研究芯片在不同輻射條件下的響應(yīng)特性，從而確定其輻照閾值。試驗(yàn)中使用的皮秒脈沖激光具有極短的脈沖寬度和高能量密度，能夠在芯片內(nèi)部產(chǎn)生與單粒子效應(yīng)類似的電荷產(chǎn)生和收集過(guò)程。通過(guò)改變激光的能量和注量，可以模擬不同LET（Linear Energy Transfer，線性能量傳輸）值的高能粒子對(duì)芯片的影響。LET 是描述粒子能量在單位質(zhì)量物質(zhì)中傳遞的物理量，與單粒子效應(yīng)的發(fā)生概率和嚴(yán)重程度密切相關(guān)。

三、試驗(yàn)方法與過(guò)程

（一）試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備

試驗(yàn)樣品為待驗(yàn)證的 CANFD 芯片，如 SIT1042AQ、TCAN1042HGVD、ASM1042A 等型號(hào)。在試驗(yàn)前，芯片樣品需進(jìn)行開(kāi)封裝處理，使樣品正面金屬管芯表面完全暴露，以便激光能夠直接作用于芯片內(nèi)部的敏感區(qū)域。同時(shí)，需要精確測(cè)量樣品的尺寸，包括芯片的長(zhǎng)、寬等參數(shù)，為后續(xù)的激光掃描和定位提供依據(jù)。

（二）試驗(yàn)裝置與環(huán)境

試驗(yàn)在專業(yè)的脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件（如溫度、濕度等）需嚴(yán)格控制，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。試驗(yàn)裝置主要包括皮秒脈沖激光器、光路調(diào)節(jié)和聚焦設(shè)備、三維移動(dòng)臺(tái)、CCD攝像機(jī)和控制計(jì)算機(jī)等。其中，皮秒脈沖激光器是核心設(shè)備，其產(chǎn)生的高能激光束經(jīng)過(guò)光路調(diào)節(jié)和聚焦后，能夠精確地照射到芯片樣品的指定位置。三維移動(dòng)臺(tái)用于精確控制芯片樣品的位置和移動(dòng)軌跡，使激光能夠按照預(yù)定的掃描方式進(jìn)行輻照。CCD攝像機(jī)則用于實(shí)時(shí)觀察芯片樣品表面的激光光斑位置和形狀，確保激光輻照的準(zhǔn)確性和均勻性。

（三）試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前準(zhǔn)備 ：將試驗(yàn)電路板固定于三維移動(dòng)臺(tái)上，使樣片的長(zhǎng)a對(duì)應(yīng)CCD成像的Y軸，寬b對(duì)應(yīng)CCD成像的X軸，樣品CCD成像的左下角作為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，即掃描起點(diǎn)。試驗(yàn)前需完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)試，驗(yàn)證芯片是否正常工作。

激光參數(shù)設(shè)置 ：根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)定激光的頻率、能量和注量等參數(shù)。初始激光能量通常設(shè)定為較低值（如120pJ，對(duì)應(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg），隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，逐步增加激光能量，直至芯片出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。

激光掃描與輻照 ：按照預(yù)定的掃描方法，使激光以一定的步長(zhǎng)和速度覆蓋掃描整個(gè)芯片樣品。掃描過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片的工作狀態(tài)和電流變化，一旦發(fā)現(xiàn)芯片工作狀態(tài)出現(xiàn)異常（如電流超過(guò)正常值的1.5倍），則認(rèn)為發(fā)生了單粒子效應(yīng)。

數(shù)據(jù)記錄與分析 ：在試驗(yàn)過(guò)程中，詳細(xì)記錄每次激光輻照的參數(shù)（如能量、注量等）以及芯片的響應(yīng)情況（如是否發(fā)生單粒子效應(yīng)、效應(yīng)類型等）。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，確定芯片的輻照閾值，即在何種激光能量或LET值下芯片開(kāi)始出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。

四、試驗(yàn)結(jié)果與輻照閾值確定

（一）試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告，三種型號(hào)的CANFD芯片在不同激光能量下的試驗(yàn)結(jié)果如下：

SIT1042AQ型CANFD芯片 ：在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對(duì)應(yīng) LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開(kāi)始進(jìn)行全芯片掃描，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。當(dāng)能量提升至920pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（37.5±9.25）MeV·cm2/mg）時(shí)，監(jiān)測(cè)到芯片發(fā)生了單粒子鎖定（SEL）現(xiàn)象。

TCAN1042HGVD型CANFD芯片 ：在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開(kāi)始進(jìn)行全芯片掃描，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。當(dāng)能量提升至610pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（25±6.25）MeV·cm2/mg）時(shí)，監(jiān)測(cè)到芯片發(fā)生了單粒子功能中斷（SEFI）現(xiàn)象；繼續(xù)將能量提升至920pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（37±9.25）MeV·cm2/mg）時(shí)，監(jiān)測(cè)到芯片發(fā)生了單粒子鎖定（SEL）現(xiàn)象。

ASM1042A型CANFD芯片 ：在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開(kāi)始進(jìn)行全芯片掃描，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。即使在能量提升至3050pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（100±25）MeV·cm2/mg）時(shí)，仍未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。

（二）輻照閾值確定

通過(guò)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以確定三種芯片的輻照閾值：

SIT1042AQ型CANFD芯片 ：其輻照閾值對(duì)應(yīng)的LET值約為37.5MeV·cm2/mg，即在此LET值下芯片開(kāi)始出現(xiàn)單粒子鎖定效應(yīng)。

TCAN1042HGVD型CANFD芯片 ：其輻照閾值對(duì)應(yīng)的LET值約為25MeV·cm2/mg，即在此LET值下芯片開(kāi)始出現(xiàn)單粒子功能中斷效應(yīng)；進(jìn)一步提升能量至37MeV·cm2/mg時(shí)，出現(xiàn)單粒子鎖定效應(yīng)。

ASM1042A型CANFD芯片 ：在試驗(yàn)所使用的最高激光能量（對(duì)應(yīng)LET值為100MeV·cm2/mg）下，仍未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，表明其輻照閾值高于100MeV·cm2/mg，具有較高的抗單粒子效應(yīng)能力。

五、試驗(yàn)意義與應(yīng)用

激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)作為一種有效的地面測(cè)試手段，為CANFD芯片的輻照閾值驗(yàn)證提供了有力支持。通過(guò)該試驗(yàn)，可以在芯片設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用階段提前評(píng)估其抗輻射性能，為航天電子系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。例如，在芯片設(shè)計(jì)階段，可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化芯片的電路結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，提高其抗單粒子效應(yīng)能力；在芯片制造過(guò)程中，可以通過(guò)質(zhì)量控制措施確保芯片的抗輻射性能符合設(shè)計(jì)要求；在航天電子系統(tǒng)的應(yīng)用階段，可以根據(jù)芯片的輻照閾值合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的防護(hù)措施，降低單粒子效應(yīng)導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)。

此外，激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

可控性高 ：試驗(yàn)中可以精確控制激光的能量、注量等參數(shù)，能夠模擬不同LET值的高能粒子對(duì)芯片的影響，為研究芯片在不同輻射條件下的響應(yīng)特性提供了便利。

重復(fù)性好 ：由于試驗(yàn)條件的可控性，試驗(yàn)結(jié)果具有較高的重復(fù)性，能夠?yàn)樾酒目馆椛湫阅茉u(píng)估提供可靠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

安全性高 ：與傳統(tǒng)的加速器輻射試驗(yàn)相比，激光模擬試驗(yàn)不需要使用高能粒子束，試驗(yàn)過(guò)程更加安全，對(duì)試驗(yàn)人員和設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)較低。

六、結(jié)論

激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)是驗(yàn)證CANFD芯片輻照閾值的重要手段。通過(guò)精確控制激光的能量和注量，模擬宇宙空間中的高能粒子對(duì)芯片的影響，可以有效評(píng)估芯片的抗單粒子效應(yīng)能力。本文以SIT1042AQ、TCAN1042HGVD、ASM1042A型CANFD芯片為例，詳細(xì)介紹了激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的原理、方法、過(guò)程以及試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同型號(hào)的CANFD芯片具有不同的輻照閾值，通過(guò)該試驗(yàn)可以為芯片的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)將在航天電子設(shè)備的可靠性評(píng)估中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

七、未來(lái)展望

盡管激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)已經(jīng)取得了顯著的成果，但仍有一些問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和解決。例如，如何進(jìn)一步提高試驗(yàn)的精度和可靠性，以更準(zhǔn)確地模擬真實(shí)空間環(huán)境中的單粒子效應(yīng)；如何結(jié)合其他測(cè)試手段（如加速器輻射試驗(yàn)、空間飛行試驗(yàn)等），建立更加完善的芯片抗輻射性能評(píng)估體系；以及如何針對(duì)新型芯片結(jié)構(gòu)和材料，開(kāi)發(fā)更加有效的激光模擬試驗(yàn)方法等。這些問(wèn)題的解決將有助于進(jìn)一步提高航天電子設(shè)備的可靠性和安全性，為我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展提供有力保障。

審核編輯 黃宇