多款CANFD芯片單粒子效應(yīng)對(duì)比分析

*附件：ASM1042單粒子效應(yīng)脈沖激光報(bào)告.pdf

一、引言

隨著航天、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的快速發(fā)展，通信芯片在各種復(fù)雜環(huán)境下的可靠性變得至關(guān)重要。單粒子效應(yīng)（Single Event Effect,SEE）是空間輻射環(huán)境中影響半導(dǎo)體器件性能的重要因素之一。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-rate）芯片作為一種廣泛應(yīng)用于高可靠通信系統(tǒng)的芯片，其抗單粒子效應(yīng)能力的評(píng)估對(duì)于保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本文以SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A型CANFD芯片為例，基于單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)報(bào)告和相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)，對(duì)這些芯片的單粒子效應(yīng)特性進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。

二、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）在穿過半導(dǎo)體器件時(shí)，可能引起器件內(nèi)部電荷產(chǎn)生和收集，從而導(dǎo)致器件性能異常的現(xiàn)象。根據(jù)效應(yīng)類型的不同，單粒子效應(yīng)可以分為單粒子鎖定（Single Event Latch-up,SEL）、單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset,SEU）、單粒子功能中斷（Single Event Functional Interrupt,SEFI）等。其中，SEL是由于高能粒子在器件內(nèi)部產(chǎn)生大量電荷，導(dǎo)致器件內(nèi)部寄生雙極型晶體管導(dǎo)通，形成低阻通路，使器件功耗急劇增加，甚至損壞；SEU是指高能粒子在器件內(nèi)部產(chǎn)生電荷，導(dǎo)致存儲(chǔ)單元或邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)；SEFI是指高能粒子引起器件內(nèi)部邏輯功能異常，導(dǎo)致器件無法正常工作。

三、試驗(yàn)方法與條件

（一）試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)裝置，通過激光正面輻照試驗(yàn)方法對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)中利用不同線性能量傳輸（Linear Energy Transfer,LET）范圍值的等效激光能量對(duì)芯片進(jìn)行輻照，以評(píng)估其抗單粒子效應(yīng)能力。試驗(yàn)過程中，通過控制激光的注量、能量等參數(shù)，觀察芯片在不同條件下的工作狀態(tài)變化，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

（二）試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在中關(guān)村B481的脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為24℃，濕度為42%RH。試驗(yàn)設(shè)備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。試驗(yàn)樣品為SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A型CANFD芯片，這些芯片均采用BCD工藝，工作電壓為5V，封裝類型分別為SOIC和DIP。

四、芯片特性概述

（一）SIT1042AQ芯片

SIT1042AQ是一款工業(yè)級(jí)的CANFD通信接口芯片，芯片大小為2800μm×1600μm，工作電流為24mA。該芯片支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率，具有較短的對(duì)稱傳播延遲時(shí)間和快速循環(huán)次數(shù)，能夠在有負(fù)載的CAN網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)速率。此外，它還具備IECESD保護(hù)高達(dá)±15kV、總線故障保護(hù)±58V等多種保護(hù)特性。

（二）TCAN1042HGVD芯片

TCAN1042HGVD是一款汽車級(jí)的CANFD通信接口芯片，芯片大小為2000μm×1300μm，工作電流為22mA。該芯片同樣支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率，并且在EMC性能方面表現(xiàn)出色，支持SAEJ2962-2和IEC62228-3（最高500kbps）無需共模扼流圈。它還具備總線故障保護(hù)±70V、VCC和VIO電源終端欠壓保護(hù)等特性。

（三）ASM1042A芯片

ASM1042A是一款企業(yè)宇航級(jí)的CANFD通信接口芯片，芯片大小為2800μm×1300μm，工作電流為20mA。該芯片通過AEC-Q100Grade1認(rèn)證，符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標(biāo)準(zhǔn)。它支持5Mbps的數(shù)據(jù)速率，具有低功耗待機(jī)模式及遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求特性，并且具備多種保護(hù)特性，如IECESD保護(hù)高達(dá)±15kV、總線故障保護(hù)±70V（H型號(hào)）、VCC和VIO（僅限V型號(hào)）電源終端欠壓保護(hù)等。

五、單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）SIT1042AQ芯片

在5V的工作條件下，SIT1042AQ芯片利用激光能量為120pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始進(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。這表明SIT1042AQ芯片在較低的LET值下能夠正常工作，但在較高的LET值下容易受到單粒子效應(yīng)的影響，導(dǎo)致器件內(nèi)部寄生雙極型晶體管導(dǎo)通，形成低阻通路，使器件功耗急劇增加，甚至損壞。從數(shù)據(jù)手冊(cè)中可知，該芯片的SEL閾值為≥75MeV·cm2/mg（企業(yè)宇航級(jí)），本次試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的指標(biāo)存在一定差距，這可能是由于試驗(yàn)條件、芯片個(gè)體差異等因素導(dǎo)致的。

（二）TCAN1042HGVD芯片

TCAN1042HGVD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。這說明TCAN1042HGVD芯片在中等LET值下就可能出現(xiàn)SEFI故障，導(dǎo)致器件內(nèi)部邏輯功能異常，無法正常工作，而在較高的LET值下也會(huì)發(fā)生SEL故障。與SIT1042AQ芯片相比，TCAN1042HGVD芯片在單粒子效應(yīng)方面表現(xiàn)出更高的敏感性，尤其是在SEFI故障方面。這種差異可能與芯片的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、制造工藝等因素有關(guān)。

（三）ASM1042A芯片

ASM1042A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)，也未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。這表明ASM1042A芯片具有較強(qiáng)的抗單粒子效應(yīng)能力，在較高的LET值下仍能保持正常工作。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，ASM1042A芯片的SEL閾值為≥75MeV·cm2/mg（企業(yè)宇航級(jí)），本次試驗(yàn)結(jié)果表明其實(shí)際抗單粒子效應(yīng)能力可能遠(yuǎn)高于此閾值。這可能得益于其在設(shè)計(jì)和制造過程中采取的多種抗輻射加固措施，如優(yōu)化的電路布局、增強(qiáng)的保護(hù)特性等。

六、單粒子效應(yīng)影響因素分析

（一）芯片工藝

芯片工藝對(duì)單粒子效應(yīng)的影響主要體現(xiàn)在器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料特性上。SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A芯片均采用BCD工藝，這種工藝在一定程度上能夠提高芯片的抗單粒子效應(yīng)能力。然而，不同的芯片在工藝細(xì)節(jié)上可能存在差異，如摻雜濃度、晶體管尺寸等，這些差異會(huì)影響芯片對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感性。例如，較高的摻雜濃度可能會(huì)增加器件內(nèi)部電荷的產(chǎn)生和收集，從而提高芯片對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感性；而較小的晶體管尺寸可能會(huì)降低器件的抗單粒子效應(yīng)能力，因?yàn)檩^小的器件更容易受到高能粒子的穿透和影響。

（二）芯片結(jié)構(gòu)

芯片的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)對(duì)其抗單粒子效應(yīng)能力也有重要影響。SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A芯片雖然都屬于CANFD通信接口芯片，但它們的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)可能存在不同。例如，不同的芯片可能采用不同的邏輯電路設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)等。邏輯電路設(shè)計(jì)會(huì)影響芯片在受到單粒子效應(yīng)時(shí)的邏輯功能表現(xiàn)，復(fù)雜的邏輯電路可能會(huì)更容易出現(xiàn)SEFI故障；而存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)則會(huì)影響芯片對(duì)SEU的敏感性，采用冗余設(shè)計(jì)或糾錯(cuò)編碼的存儲(chǔ)單元能夠提高芯片的抗SEU能力。

（三）工作條件

芯片的工作條件，如工作電壓、工作電流等，也會(huì)對(duì)其抗單粒子效應(yīng)能力產(chǎn)生影響。在本次試驗(yàn)中，所有芯片均在5V的工作電壓下進(jìn)行測(cè)試。一般來說，較高的工作電壓可能會(huì)增加芯片內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高芯片對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感性。而工作電流則會(huì)影響芯片的功耗和散熱情況，較大的工作電流可能會(huì)導(dǎo)致芯片在受到單粒子效應(yīng)時(shí)更容易出現(xiàn)SEL故障，因?yàn)檩^大的功耗會(huì)使芯片內(nèi)部溫度升高，進(jìn)一步加劇器件內(nèi)部寄生雙極型晶體管的導(dǎo)通。

七、單粒子效應(yīng)防護(hù)措施

（一）硬件防護(hù)

硬件防護(hù)措施主要包括采用抗輻射加固器件、優(yōu)化電路布局、增加屏蔽材料等?？馆椛浼庸唐骷峭ㄟ^特殊的制造工藝和設(shè)計(jì)方法，提高器件的抗單粒子效應(yīng)能力。例如，采用深亞微米工藝制造的器件，其晶體管尺寸較小，能夠減少高能粒子的穿透概率；而采用多晶硅柵極結(jié)構(gòu)的器件，則能夠提高器件的抗電離輻射能力。優(yōu)化電路布局可以減少高能粒子對(duì)關(guān)鍵電路的影響，例如將存儲(chǔ)單元和邏輯電路分開布局，可以降低SEU和SEFI故障的發(fā)生概率。增加屏蔽材料可以有效阻擋高能粒子的穿透，例如在芯片表面增加一層金屬屏蔽層，能夠減少高能粒子對(duì)芯片內(nèi)部的影響。

（二）軟件防護(hù)

軟件防護(hù)措施主要包括采用冗余設(shè)計(jì)、糾錯(cuò)編碼、故障檢測(cè)與恢復(fù)等方法。冗余設(shè)計(jì)是指在系統(tǒng)中增加多個(gè)相同的芯片或電路模塊，當(dāng)其中一個(gè)芯片或模塊受到單粒子效應(yīng)影響而出現(xiàn)故障時(shí)，其他芯片或模塊可以繼續(xù)正常工作，從而提高系統(tǒng)的可靠性。糾錯(cuò)編碼是一種在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸過程中檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤的方法，通過在數(shù)據(jù)中添加冗余信息，可以檢測(cè)和糾正由于SEU等單粒子效應(yīng)引起的錯(cuò)誤。故障檢測(cè)與恢復(fù)是指通過軟件程序檢測(cè)芯片是否出現(xiàn)故障，并在出現(xiàn)故障時(shí)采取相應(yīng)的恢復(fù)措施，例如重新啟動(dòng)芯片、清除錯(cuò)誤狀態(tài)等。

八、結(jié)論

通過對(duì)SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A型CANFD芯片的單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

不同型號(hào)的CANFD芯片在抗單粒子效應(yīng)能力上存在顯著差異。SIT1042AQ芯片在較低的LET值下能夠正常工作，但在較高的LET值下容易出現(xiàn)SEL故障；TCAN1042HGVD芯片在中等LET值下就可能出現(xiàn)SEFI故障，而在較高的LET值下也會(huì)發(fā)生SEL故障；ASM1042A芯片則具有較強(qiáng)的抗單粒子效應(yīng)能力，在較高的LET值下仍能保持正常工作。

芯片工藝、芯片結(jié)構(gòu)和工作條件等因素對(duì)單粒子效應(yīng)的影響較大。不同的芯片工藝和結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致芯片對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感性不同，而工作條件的變化也會(huì)影響芯片的抗單粒子效應(yīng)能力。為了提高芯片的抗單粒子效應(yīng)能力，可以采取硬件防護(hù)和軟件防護(hù)措施。硬件防護(hù)措施包括采用抗輻射加固器件、優(yōu)化電路布局、增加屏蔽材料等；軟件防護(hù)措施包括采用冗余設(shè)計(jì)、糾錯(cuò)編碼、故障檢測(cè)與恢復(fù)等方法。

綜上所述，對(duì)于需要在復(fù)雜環(huán)境下工作的CANFD芯片，應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)景和可靠性要求，選擇合適的芯片型號(hào)，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，以提高系統(tǒng)的抗單粒子效應(yīng)能力，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。同時(shí)，進(jìn)一步的研究和開發(fā)工作也應(yīng)致力于提高芯片的抗單粒子效應(yīng)能力，以滿足日益增長(zhǎng)的高可靠通信需求。

審核編輯 黃宇