脉冲激光试验在宇航器件和电路系统抗单粒子效应设计中的初步应用

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1、第28卷第2期航天器环境工程2011年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING121脉冲激光试验在宇航器件和电路系统抗单粒子效应设计中的初步应用韩建伟1，封国强1，蔡明辉1，马英起1,2上官士鹏1一，陈睿1，张玉靖1(1．中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190；2．中国科学院研究生院，北京100049)摘要：抗单粒子效应加固是宇航器件研发和卫星电路系统设计面临的重要难题。准确、有效的单粒子效应试验评估对此问题的解决有巨大帮助。中国科学院空间科学与应用研究中心于近十年在国内自主发展了用于单粒子效应评估的脉冲激光试验相关

2、装置、试验技术和方法，对宇航器件和卫星电路开展了初步应用。通过脉冲激光试验，能够快速甄别、定位宇航器件试样的单粒子效应薄弱点，以及快速地摸底评估出芯片的整体加固性能。对于卫星电路系统，脉冲激光试验不仅能够快速摸底评估拟用器件的抗单粒子效应性能，而且能够针对芯片空间分布和电路时序变化进行扫描和定点测试，验证加固效果。关键词：单粒子效应；宇航器件；卫星电路系统；脉冲激光中图分类号：V416．5：TN406文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)02-0121-05DoI：10．3969／j．issn．1673．1379．2011．02．0040引

3、言单粒子效应(SEE)是空问环境诱发卫星异常和故障的最宅要的原因之一【lJ。近年，随着半导体技术和工艺的快速进步，新一代的小特征工艺尺寸、低功耗、-亩速度的高性能芯片对单粒子效应的敏感性大大增强，使得单粒子效应对卫星系统的威胁更加严重[2-31。冈此，当前国际上人力发展针对JJ星电路系统新型器件的抗单粒子效应设计技术，规定卫星用器件应当具有较高的单粒了效应LET阈值，对较易发生的单粒子翻转(SEU)要进行周密的系统防护设计和验证14巧I。无论足器件级还足电路系统级的抗单粒f效应设计，均需要有效的试验评估支持。为了适应舰模日益扩大、要求多样化的单粒子效应试验

4、需求，近些年已有美国的JPL、NRL、Boeing公司，俄罗斯的SPELS，欧洲的EDAS、IMS、INFN、MBDA、TU．Berlin，以及H本的JAERI等10家机构先后建立了10余套脉冲激光单粒子效应试验装置，开展了系列的研究和应用。2000年，美国海军研究实验室和洛克希德·马丁公司首次提出将脉冲激光试验引入到抗单粒。f效应器件的设计研制流程，通过脉冲激光的扫描辐照甄别和定位器什样片的加固薄弱点，从而为后续的优化设计提供依据【6j。洛克希德·马丁公司将此技术应用于0．8gm、0．5gm和0．25¨m的抗辐射加同CMOS外延工艺研发，获得了“一次设汁

5、、一次流片、一次评估、一次改进、一次成功”的优异效果【6】。2002年，法国波尔多大学电子和信息实验室(IXL)的Darracq等人针对1MbitSRAM(0．8gmCMOS-F．艺)和4MbitSRAM(0．5lamCMOS-E艺)两款器件，首次利用脉冲激光从器件背部进行了SEU和单粒子锁定(SEL)效应的定量测试，其中两款器件SEU阈值与蕈离子试验数据的偏差分别为32％和60％，饱和截面贝JJ)cEI差3．8倍和5倍，4MbitSRAM的SEL阈值与重离子试验结果的偏差为22％【7J。2008年，IXL利用脉冲激光针对Virtex．II系列FPGA，扫

6、描测试到了其配置、存储、存储接口、时钟分配、I／O和I／O接口等6类功能模块的SEU和单粒子功能中断收稿日期：2011-Ol—13；修回日期：201l—02．24基金项目：国家自然科学基金项目(编号：40974113)及中国科学院知识创新工程青年基金项目(编号：0821lIAl7S)作者简介：韩建伟(1970一)，男，博士学位，研究员，现从事航天器空间环境效应研究。联系电话：(010)62582852；E—mail：hanjw@Csgar．ac．ca。I翌堕叁垡盐塑土型里型堂(SEFI)特性，动杏测试了屯路对澈光脉冲触发的SEU的时间响应特性，洲试r二模冗

7、余和持续Ⅻ惭技术应对SEU诱艟错误的效果等”I。当前，国际I．时脉冲激光试验川于单粒f效应研究的主要理论和技术基本成熟，并埘其两类应用形成了共tl：1)面向宇航兀器什设计和研制．开展器什初样机单粒子效虚设¨效果评仙和薄弱点分忻．以址为器件正样机巾粒子散虚性能摸底试骀：2)开腱lJ星J{j器件筛选怕抗单牲丁效心性能摸底评估，以及生裁Fb路系统抗单粒r效应设训教粜骑证评估。我幽宇航元器忭研笈和卫星电路系统设计而临的抗竹粒子效应挂力尤为，c峻。兑中，能卉提供先足试骑机时的单粒子效应试骑评估是“瓶颤”问题2一。为r存定稗度『甥；解此“瓶颈”州题，近十年来中国科学院

8、空问科学与应川研究中心(以F简称“空

9、llJ中心”)年u兰州卒问挂