CN102074273B - 存储器稳态总剂量效应试验测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种存储器稳态总剂量效应试验夹具包括：测试板、载板和计算机，其中测试板用于监测被测存储器的电流及其数据值的变化，并将信息传输给计算机；载板用于放置被测存储器，提供接口使被测存储器和测试板通信；计算机用于处理并显示测试板传来的信息。一种存储器稳态总剂量效应试验和测试方法，该方法确定了存储器稳态总剂量试验条件，包括存储器辐照期间偏置条件的确定、辐照期间剂量率的选择、50％额外辐照及高温加速退火试验和存储器辐照后电参数测试顺序的确定。该试验夹具及试验和测试方法提高了存储器稳态总剂量试验结果的科学性和准确性。

Description

存储器稳态总剂量效应试验测试方法

技术领域

本发明涉及大规模集成电路总剂量效应测试方法技术领域，尤其涉及一种存储器稳态总剂量效应夹具的设计，及其试验和测试方法。 

背景技术

空间辐射环境中的带电粒子和电子在存储器中产生电离总剂量效应，使星用存储器的可靠性和安全性受到严重威胁。过去，人们对存储器电路的研究主要是针对单粒子效应的研究，这方面国内外报道的文献很多。但有关存储器电路总剂量效应研究的文献报导相对较少。总剂量效应试验是重要的辐照试验之一，在鉴定检验试验中，星用存储器电路需进行总剂量效应试验，以评估存储器的抗空间辐射能力。 

随着国外封锁、禁运等因素的影响，我国航天用存储器国产化程度将越来越高。但是我国大规模集成电路存储器稳态总剂量试验开展的较少，进行的试验验证也较少，所以跟国外相比较，在试验方法及试验原理的研究方面还存在着一定的差距。所以，目前国产化航天用存储器开展TID试验时还存在剂量率选择，高温加速退火试验程序等问题，影响了试验结果的科学性和有效性，急需开展相应的试验验证技术研究，确保重点工程国产化存储器的研制质量，进度和鉴定验收。 

目前针对存储器稳态总剂量试验和测试主要存在以下缺点： 

1、GJB 548B方法1019.2、GJB 5422-2005《军用电子元器件射线累积剂量效应测量方法》、ESA/SCC 22900《稳态辐照电离（TID）总剂量试验方法指南》、ASTM F1892《稳态总剂量试验方法指南》、MIL-STD-883G《微电子器件试验方法和程序》等国内外稳态总剂量效应的试验方法、标准不完全一致；国内外稳态总剂量效应中对于器件的偏置规定的较模糊，标准中规定器件应处于最恶劣偏置条件下；标准中对器件辐照期间剂量率的选择条件较多，对辐照后存储器的测试顺序无规定；对于高温加速退火试验程序的了解不是很准确；这些均导致器件的抗空间辐射能力评价结果出现较大差异； 

2、存储器稳态总剂量试验夹具的设计较为复杂，目前未进行系统性的整理。 

发明内容

(一)发明目的 

本发明的目的是提供一种存储器稳态总剂量效应试验夹具及其试验测试方法，运用该夹具和方法，明确了存储器稳态总剂量效应试验过程中各种试验条件，使其具有可操作性和科学性，提高存储器稳态总剂量试验结果的准确性。 

(二)发明内容 

一种存储器稳态总剂量试验夹具，其特征在于，包括： 

测试板，用于监测并采集被测存储器的电流及其数据值，并将信息传输给计算机； 

载板，用于放置被测存储器，提供接口使被测存储器处于电连接状态，及被测存储器和测试板通信； 

计算机，用于处理并显示测试板传来的信息， 

所述测试板通过串口连接计算机，通过并口连接载板。 

其中，所述测试板包括开发板和功能扩展板，其间通过并口连接，开发板控制功能扩展板监测并采集被测存储器的电流及其数据值。 

其中，所述开发板通过串口连接计算机，包括：作为主控芯片的单片机，所述单片机用于解读计算机发来的命令并执行相应命令的操作，并向计算机传送功能扩展板所采集到的存储器电流及其数据值； 

其中，所述功能扩展板通过并口连接载板，包括： 

继电器，用于实现被测存储器的供电控制； 

电流监测芯片，用于对被测存储器工作电流及其数据值的监测及采集； 

读写被测存储器的接口，用于单片机读、写和擦除被测存储器。 

一种利用上述夹具的存储器稳态总剂量效应试验和测试方法，包括：对存储器进行辐照和辐照后存储器的电参数测试，其特征在于，所述存储器在辐照其间处于静态偏置状态，所述静态偏置状态的施加应遵循以下规则： 

存储器地址位间隔接载板上的高、低电平接口； 

存储器输入输出接载板上的VDD/2接口； 

存储器VDD接载板的高电平接口，VSS接载板的低电平接口； 

存储器各使能端接入载板的高电平或低电平接口，以使器件处于非读、写状态。 

其中，在对存储器辐照其间，典型辐射环境的剂量范围为10～100krad(Si)时，剂量率的选择范围为0.008～0.5rad(Si)/s。 

其中，在对存储器辐照时增加50％额外辐照。 

其中，在增加50％的辐照后进行高温加速退火试验。 

其中，确定辐照后存储器电参数测试顺序，所述存储器电参数测试顺序为： 

(1)单片机进行数据保持能力测试，对存储器进行读操作； 

(2)单片机通过功能扩展板的电流监测芯片进行直流测试； 

(3)单片机通过功能扩展板的电流监测芯片进行交流测试； 

(4)单片机对存储器进行擦除操作； 

(5)单片机对存储器进行读操作； 

(6)单片机写存储器； 

(7)单片机读存储器。 

(三)有益效果 

本发明通过对稳态总剂量试验夹具的设计及稳态总剂量效应试 验方法和标准中试验条件的明确，可为今后相关行业开展存储器稳态总剂量试验评测提供科学合理的评价方法，这些成果可为今后各种器件进行空间TID试验提供科学指导，确保相应电子器件在空间平台中的可靠和有效的应用提供强有力的技术支撑和保障，对我国的军事、国防、国家安全具有重要的战略意义，为以后正确进行稳态总剂量试验提供依据和指导。 

附图说明

图1是根据本发明的存储器稳态总剂量效应试验夹具硬件结构组成及通信图； 

图2是根据本发明的方法在增加50％的辐照和高温加速退火试验后的试验结果图； 

图3是根据本发明的方法在存储器辐照或退火后电参数测试顺序图。 

具体实施方式

本发明提出的一种存储器稳态总剂量效应试验夹具、试验和测试方法，结合附图说明如下。 

存储器稳态总剂量试验夹具的硬件设计如图1所示，包括：测试板，载板和计算机。测试板用于监测被测存储器的电流及其数据值的变化，并将信息传输给计算机；计算机用于处理并显示测试板传来的信息，载板用于放置被测存储器，提供接口使被测存储器处于电连接状态，及被测存储器和测试板通信。 

测试板包括基于Atmega64单片机的开发板和功能扩展板，Atmega64单片机为主控芯片，Atmega64为8位AVR单片机，工作于16MHz时性能高达16MIPS。其内部集成了8路10位ADC、可编程的USART，有53个可编程I/O口用于扩展外部功能。该单片机开发板通过USB或RS232串口连接计算机。通过两排20PinI/O口，一个10PinI/O口连接功能扩展板，功能扩展板通过6个8Pin的并口连 接载板。功能扩展板包括：继电器，用于实现被测存储器的供电控制；电流监测芯片，用于对被测存储器工作电流的监测及采集；读写被测存储器的接口，用于单片机读、写和擦除被测存储器。 

该硬件夹具工作原理如下： 

计算机的软件控制平台，完成对单片机的所有控制操作，包括读、写、电源控制等。根据试验过程中对被测存储器操作的不同需求，通过计算机软件平台的控制命令，就可以控制单片机的动作，使单片机对被测存储器进行不同的操作。平台同时接收从单片机得到的数据信息，并对其完成存储，判断处理，显示等一系列操作，以便观察被测存储器的工作状态，保存重要的试验数据。 

测试板软件根据接收到的命令执行相应的操作，以实现对被测存储器的监测。 

测试板复位后，设置相应的硬件属性，然后进入主程序。 

单片机采用中断的方式接收计算机发来的命令，一旦有串行中断发生，单片机便从等待状态进入接收命令中断程序。 

接收完一针帧信息后，判断接收到的命令是否正确，如果不正确则恢复命令错误信息到计算机，申请重发，并进入等待状态。如果接收到的命令正确，则解码命令。按照相应的命令执行相应的操作。 

程序所能进行的操作主要包括，供电控制，读、写和擦除存储器，电流监测。当接收到断开电源命令时，单片机控制相应的引脚断开继电器。 

当单片机接收到读、写存储器命令时，将向存储器内写入相应的数据，此设计中写入存储器每一存储单元的数据与该单元的地址的低八位相符，采用此方法，无论是存储器中存储单元数据位发生翻转或是存储器地址解码器部分发生故障，均可检测出。这样便提扩大了故障监测的覆盖面。在读取存储器存储单元的数据时，如果所读取到的数据与地址的低八位不符，则表明有错误发生，单片机便记录相应的 信息并将其传输给计算机。当单片机接收到擦除存储器命令时，对存储器中存储单元进行擦除。 

电流监测部分，采用定时监测的方法，由单片机内部定时器计时，每定时到一定时间，单片机便读取每个存储器的工作电流的大小，并判断其是否超出正常的工作范围。如果超出正常的范围，将存储器号及电流值传输给计算机，以便记录相应的试验数据。 

单片机可以根据从计算机接收到的命令的不同任意更换对被测存储器的操作方式。比如在单片机读存储器时，如果计算机发送新的命令，则单片机响应相应的中断进入中断程序接收命令，解码命令并根据新的命令执行相应的操作。 

存储器辐照期间，可以采取在线监测，将存储器样品放在实验台上，通过数据线，与测试室的计算机相连，通过计算机的测试软件，监测并记录存储器的敏感参数电流(包括静态电流、漏电流等)，通过测量瞬态电流同样可以有效检测出存储器辐照期间的大部分缺陷。 

功能扩展板实现被测存储器供电控制，工作电流Icc监测，读写被测存储器时的片选控制的功能。供电控制通过一个5V的继电器实现，单片机的一个I/O引脚连接到继电器的电磁线圈，引脚输出高电平时，断开存储器电源，输出低电平时，给存储器供电。继电器输入端的驱动电流为28mA，单片机的I/O口最大输出电流为40mA，完全能直接驱动继电器。 

通过功能扩展板上的8个高精度电流监测芯片实现对存储器工作电流信号的采集。电流监测芯片将对应存储器的工作电流信号转换为一定的电压值，传递给单片机开发板主控芯片的ADC接口。被测存储器的工作电流在40mA左右，通过调节每个相应的电位器使输入到单片机的电压信号在1.2～1.5V之间。通过电流监测芯片监测电流和输出电压的比例，10位AD转换达到的精度为0.017mA。足以满足电流监测的要求。 

使用以上夹具的存储器对稳态总剂量效应试验和测试方法具体实施方式如下： 

SRAM、EEPROM、Flash memory等存储器对稳态总剂量效应非常敏感。稳态总剂量效应(TID)首先对于物理层设备的效应就是漏电流急剧增加，数据维持时间减少，并且伴随着数据流失。对于不同的器件类型、相同类型的不同器件以及相同器件不同的偏置条件，TID敏感度变化非常大。根据GJB 548B方法1019.2、GJB 5422-2005、ESA/SCC 22900、ASTM F1892、MIL-STD-883G等国内外标准要求，器件在辐照期间应处于最恶劣的偏置状态。本发明通过大量的调研分析和试验验证得出存储器辐照期间，静态偏置较动态工作模式(读、写、擦等)更加恶劣。存储器进行TID试验期间，静态偏置的施加应遵循以下原则： 

存储器地址位间隔接载板上的高、低电平接口； 

存储器输入输出接载板上的VDD/2接口； 

存储器VDD接载板的高电平接口，VSS接载板的低电平接口； 

存储器各使能端接入载板的高电平或低电平接口，以使器件处于非读、写状态。 

理论上，最恶劣偏置的施加应使NMOS的VGS值达到正的最大值，使PMOS的VGS值达到负的最大值。 

由于卫星和空间航天探测器在太空中所遭遇到的典型辐射环境的剂量范围为10～100krad(Si)，在这个典型剂量范围内，可选择的剂量率范围大致在0.008～0.5rad(Si)/s。在稳态总剂量效应试验过程中，剂量率的值并不是恒定的，不同的总剂量对应不同的剂量率。总剂量范围在0～30krad(Si)时，剂量率大体集中分布于0.015rad(Si)/s～0.080rad(Si)/s，剂量率与总剂量不满足线性关系或函数关系；总剂量范围在30～1000krad(Si)时，剂量率基本随总剂量的增加而增加，但不是一一对应的线性关系，如总剂量为50krad(Si)时，采 用了0.347rad(Si)/s、0.316rad(Si)/s、0.191rad(Si)/s、0.033rad(Si)/s等多种不同的剂量率。 

本发明还针对国内目前进行的TID试验存在的不规范现象，如某些单位进行TID试验时，按照标准选择标准剂量率进行试验，但对产品不进行50％额外辐照及高温加速退火试验。本发明针对上述情况进行了在标准剂量率下辐照至规定的剂量、进行50％额外辐照剂量及退火后的试验结果的对比分析，试验结果如图2所示。 

由图2可以看出，辐照至规定的剂量与进行50％剂量的额外辐照，试验结果是完全不同的。当存储器辐照至100krad(Si)时，6只试验样品全部合格，当进行了50％的额外辐照后，出现了4只试验样品不合格现象，而后进行的高温退火，虽然使参数漂移有所回落，但仍有四只样品出现了不合格。 

由试验结果可看出，高温100℃、168h退火提供了低剂量率界面陷阱对MOS器件响应的最劣测量，得出了比较合理的保守估计。存储器稳态总剂量效应试验除满足下列条件之一的，可以不进行加速实验外，其它均需进行。 

(1)线路设计不含有MOS单元； 

(2)已知应用时的电离剂量低于5krad(Si)； 

(3)应用时处于辐射的时间比TDE(TOTAL DOSE EFFECTS)时间短； 

(4)试验在应用时的剂量率下进行； 

(5)该器件类型或集成电路工艺的TDE引起器件参数的变化比测量误差小，且影响TDE响应的因素在生产工艺可控范围之内。 

存储器稳态总剂量辐射后所进行的电参数测试需遵循一定的测试顺序，一般应遵循结温由低到高，功耗由小变大的原则。图3给出了适用于任何类型存储器的所有电参数测试的顺序：第一步单片机进行数据保持能力测试，对存储器进行读操作(期望值为‘00’)；第二 步单片机通过功能扩展板的电流监测芯片进行直流测试；第三步单片机通过功能扩展板的电流监测芯片进行交流测试；第四步单片机对存储器进行擦除操作；第五步单片机对存储器进行读操作(期望值为‘FF’)；第六步单片机写入‘00’；第七步单片机读出‘00’。 

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。 

Claims (2)

1.一种利用存储器稳态总剂量试验夹具的存储器稳态总剂量效应试验和测试方法，包括：对存储器进行辐照和辐照后存储器的电参数测试，其中，所述存储器稳态总剂量试验夹具包括：测试板，用于监测并采集被测存储器的电流及其数据值，并将信息传输给计算机；载板，用于放置被测存储器，提供接口使被测存储器处于电连接状态，及被测存储器和测试板通信；计算机，用于处理并显示测试板传来的信息，所述测试板通过串口连接计算机，通过并口连接载板；其特征在于，所述存储器在辐照其间处于静态偏置状态，所述静态偏置状态的施加应遵循以下规则：

存储器地址位间隔接载板上的高、低电平接口；

存储器输入输出接载板上的VDD/2接口；

存储器VDD接载板的高电平接口，VSS接载板的低电平接口；

存储器各使能端接入载板的高电平或低电平接口，以使器件处于非读、写状态；

并且在对存储器辐照其间，典型辐射环境的剂量范围为10～100krad（Si）时，剂量率的选择范围为0.008～0.5rad（Si）/s；在对存储器辐照时增加50%额外辐照；且在增加50%的辐照后进行高温加速退火试验。

2.如权利要求1所述的存储器稳态总剂量效应试验和测试方法，其特征在于，确定辐照后存储器电参数测试顺序，所述存储器电参数测试顺序为：

（1）单片机进行数据保持能力测试，对存储器进行读操作；

（2）单片机通过功能扩展板的电流监测芯片进行直流测试；

（3）单片机通过功能扩展板的电流监测芯片进行交流测试；

（4）单片机对存储器进行擦除操作；

（5）单片机对存储器进行读操作；

（6）单片机写存储器；

（7）单片机读存储器。

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