VLSI辐射效应试验测试问题

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1、崔帅，杨善潮，李斌等：Ⅵ。sI辐射效应试验测试问题VLSl辐射效应试验测试问题崔帅1，杨善潮2，李斌2，牛振红1，李瑞宾2，郭晓强2(1北京航天长征飞行器研究所，北京9200信箱76分箱6号，10076)(2西北核技术研究所，西安市69信箱lO分箱，710024)摘要：针对近年来，系统进行的辐射效应试验情况．探讨试验中如何选择试验敏感参数闯题，并提出相应的改进措施．关键词：集成电路测试、敏感参数、辐射效应大规模和超大规模集成电路(LSI，'帆。SI)技术是现代电子学迅速发展的核心和关键因素。LSI／

2、VLSI在航天领域中的应用提高了航天技术装备水平，同时也极大地简化了系统设计的复杂性。由于航天电子学系统往往需要工作于辐射环境中，LSI／VLSI应用范围的日益扩大，品种日益增多，也给系统带来了一定的风险。研究表明，这种风险主要表现在下列方面：(1)在0．35urn工艺以上，电路集成度的增加带来器件尺寸的缩小。尺寸的缩小使得器件对辐射感生电荷更为敏感，从而更容易受到辐射的影响；(2)LSI／VLSI内部包含着数十万到数百万只晶体管，这些晶体管的工作状态、功能各不相同。将从中、小规模电路辐射效应研究中

3、获得的试验方法和测试条件用于LSI／VLSI电路时难以准确反映其在实际应用中可能出现的辐射损伤。因此，基于中、小规模电路的辐射损伤研究方法不适用于LSINLS电路的辐射损伤效应研究。(3)LSI／VLSI电路功能的复杂性使得辐射损伤测试时可能难以完全覆盖所有可能出现的失效。由于以上原因，研究LS价几sI电路的辐射效应测试有重要的意义．近年来，我们对FPGA、ARM9进行了瞬时电离辐射、丫总剂量、X射线总剂量、中子辐射等试验，由于没有经验可以借鉴，只能根据系统的应用设计相应的测试系统，测试参数也和应用

4、由关，这可能存在着对芯片资源利用不够丰富，敏感参数选取不能完全反应其辐射损伤情况、试验测量误差等问题，本文对这一问题进行探讨并针对试验提出改进具体改进措施。1辐射敏感参数设计问题ARM9和FPGA的辐照功能测试就主要以功能失效和系统漏电流作为评判标准。以ARM9的试验情况为例说明这一情况。AT91RM9200是一款完全基于ARM920TARMThumb处理器内核的系统集成芯片。AT91RM9200主要具有以下特点：运算速度高、低功耗、外部数据接口(EPI)等特点。系统外围设备包括：时钟产生器和电源管

5、理、两个锁相环、两个晶振、四个可编程外部时钟、系统定时器和看门狗、调试单元：两个为调试通信通道的UART模块、中断管理模块、7个外部中断源、4组32位的PIO控制模块，可以控制122路信号、20个DMA通道采用串口超级终端检测ARM上传的数据，另外检测ARM系统的工作电流，如果ARM系统出现工作不正常，能在超级终端上传的数据和工作电流否有反应。但是通过辐射试验现象看，选取的功能失效模式并不能完全反映系统芯片的失效阈值。譬如在Y总剂量试验中，我们仅观测到数据存储速度变慢，工作电流上升了0．04A-．．

6、一0．05A不等，但是有功能数据传输正常，限于试验条件的限制并没有继续监测到其功能失效阈值。单系统到底什么时候开始变慢的，第九届全国抗辐射电子学与电磁脉冲学术年会论文集传输速度减慢多少限于技术原因并没有监测到，这样就造成了试验信息的丢失。有关研究表明，系统失效可分为电参数失效和功能失效。辐射环境中器件功能的失效总是晚于电参数失效半个到一个数量级的累积剂量。有些复杂的CMOS器件，或一些专用电路，阈值电压无法测量，常以器件逻辑功能的正常与否作为器件失效评判的标准，这种方法是不严格的。有资料表明，很多器

7、件辐照后逻辑功能虽然很正常。但由于其阈电压漂移很大，使得器件噪声容限很低，静态功耗电流很大。’电参数的失效并不一定可导致电路功能的丧失，但电路逻辑功能的失效必将伴随有系统电参数的失效。因此认为，严格的评判步骤也仍应是在保证系统功能完全正常情况下，以其它电参数，其中特别是静态功耗电流和在带一定负载情况下的输出高低电平，以及交流参数失效水平为整个器件的失效水平。系统级芯片重点放在电参数的测量评判上．ARM9芯片的测试应重点监测系统存储读写速度和电参数的变化。2芯片资源利用问题仅根据实际应用需要设计试验测

8、试系统，对于系统辐射效应研究是足够的，但是由于实际功能仅利用到芯片功能的一小部分，资源利用少，这样可能存在实际使用部分不是芯片的敏感部分，间接造成系统失效阈值的不一致，给后续工作带来一定的风险。下面以FPGAy总剂量试验为例说明情况。Vh-tex-II系列FPGA产品采用先进的0．15urn／0．12IJsnCMOSg层金属混合工艺设计，内核电压1．5V，根据输入、输出参考电压的不同设计可支持多种接口标准，内部时钟频率可达420MHz。为了解试验FPGA的辐射效应，根