CN103616631A - 一种用加速器高能质子进行器件质子单粒子试验的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用加速器产生的高能质子进行器件单粒子翻转试验的方法，包括试验样品加工、单粒子试验板的要求，高能质子能量、注量率、注量的选择要求。随着集成度提高、特征尺寸减少，大规模电路的单粒子翻转趋向敏感，质子通过核反应或直接电离可引起单粒子翻转。在轨卫星发生了疑似质子单粒子翻转引起的电子系统故障。本方法为在地面开展器件质子单粒子翻转试验提供了方法。根据本方法，可以对卫星用关键器件的质子单粒子翻转敏感性进行评估，获得器件质子单粒子翻转敏感参数，为卫星抗辐射加固设计提供依据，对保证新一代卫星的可靠性有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种用加速器高能质子进行器件质子单粒子试验方法，可用于指导对大规模集成电路质子单粒子翻转敏感性进行评估，为卫星设计师选用超大规模集成电路和进行抗辐射加固设计提供参考数据，也为器件研制抗辐照加固器件提供参考数据。
背景技术
卫星工作在空间辐射环境中，单粒子效应会引起卫星电子系统故障。随着卫星应用发展，对卫星可靠性要求不断提高。但是，随着集成度提高、特征尺寸减少，大规模电路的单粒子翻转趋向敏感，质子通过核反应或直接电离可引起单粒子翻转，在轨卫星发生了疑似质子单粒子翻转引起的电子系统故障。
国内外愈来愈重视质子引起的单粒子效应。大规模集成电路空间应用前，需要在地面用加速器产生的高能质子进行质子单粒子效应辐照试验，获得质子单粒子翻转数据，为元器件选用和抗辐射加固设计提供依据。
目前已制定了重离子单粒子试验标准方法，如航天行业标准QJ10005，该标准适用于采用加速器重离子评估器件因空间重离子引起的单粒子翻转，不适用于评估质子引起的单粒子翻转。而空间辐射环境中，除有重离子，还有质子，随着微电子技术的发展，器件的单粒子敏感度增加，质子引起的单粒子翻转愈来愈显著，需要建立评估空间质子引起的单粒子效应的试验方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用加速器高能质子进行器件质子单粒子试验的方法。实现了卫星用大规模器件质子单粒子效应的评估，最大程度满足卫星抗辐射加固设计的需求。
本发明的技术解决方案是：
一种用加速器产生的高能质子进行器件质子单粒子翻转试验的方法，其特征在于步骤如下：
（1）被试样品加工
被测器件单粒子翻转LET阈值低于15MeV.cm2/mg，辐照前，样品必需开帽，使芯片裸露，
被测器件单粒子翻转LET阈值大于15MeV.cm2/mg，辐照前，样品可不开帽；
（2）单粒子试验板开发
被测器件放置在单粒子试验板上。单粒子试验板上被测器件周围不准许放置单粒子翻转LET阈值低于15MeV.cm2/mg的器件，
若试验板上需要放置单粒子翻转LET阈值低于15MeV.cm2/mg的器件，其与被试器件的距离应足够远，大于5cm；
（3）质子能量种类选择
选择不少于5种能量的质子进行试验；
（4）质子能量选择
对于单粒子翻转LET阈值低于<1MeV.cm2/mg的被试器件，应根据被试器件芯片表明的钝化层厚度和金属化层厚度，采用软件计算，如TRIM,计算质子到达芯片敏感区后的能量，要求有一种能量的质子达到芯片敏感区的能量在0.7MeV左右，
对于单粒子翻转LET阈值低于>1MeV.cm2/mg的被试器件，选择至少5种能量的质子进行试验，使得获得的最大翻转截面与最小翻转截面相差至少1个数量级以上，建议选择的质子能量范围覆盖5~190MeV；
（5）质子注量率选择
根据被测器件的单粒子翻转发生频度选择合适的注量率，以便实现检测系统对发生的单粒子翻转有充足的检测并完成数据处理的时间，要求：
t1>10×t2
其中，t1为器件发生两次单粒子翻转的时间间隔，t2为检测系统完成1次单粒子翻转检测和数据处理及数据记录所需的时间；
（6）质子注量选择
根据被测器件的单粒子翻转发生数和抗总剂量能力选择累积注量，质子的注量选择应满足以下三点：
a. 发生的单粒子翻转数不少于100个，或质子总注量达到1012质子/cm2，
b. 器件受到的累积总剂量不超过器件的抗总剂量能力；
c. 假若器件受的累积总剂量超过器件的抗总剂量能力，但未达到a的要求，则应更换新的样品，接着进行辐照，
（7）质子单粒子试验；
对安装在试验板上的被试器件，采用选定能量的质子进行辐照，记录每个能量下检测到的单粒子翻转数。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
（1）本发明给出了不同器件根据单粒子敏感程度进行试验样品加工的要求，对于单粒子翻转敏感器件，低能质子可以引起单粒子翻转，需要采用低能质子进行辐照，考虑器件屏蔽材料对质子能量有降低作用，对单粒子翻转敏感器件，要求对试验样品进行开帽处理。对于采用高能质子进行辐照，试验样品不需要开帽。
（2）本发明对试验板上的非被试器件的单粒子敏感性及布局提出了要求。由于质子存在核反应生成的次级产物，和重离子只在辐照面积内引起单粒子翻转不同，次级产物射向四周，对四周的器件产生单粒子效应，若周围的器件单粒子翻转敏感，则周围器件可因质子次级产物引起单粒子翻转，周围器件的单粒子翻转对被测器件的单粒子翻转的测试产生干扰，因而，要求试验板上的非被试器件的单粒子不敏感或离被试器件具有足够的距离。
（3）与现有技术中采用重离子评估器件因重离子引起的单粒子翻转，本发明是针对空间存在大量高能质子而制定采用加速器质子进行质子单粒子翻转敏感度评估的方法，为卫星抗辐射加固设计提供了重要技术支持。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提出了一种用加速器产生的高能质子进行器件单粒子翻转试验的方法，步骤如下：
（1）试验样品加工。
a.如果被试样品重离子单粒子翻转LET阈值低于15MeV.cm2/mg，辐照前，样品必需开帽，使芯片裸露。
对于金属封装或陶瓷封装，采用机械法开帽。
对于塑封器件，采用化学法开帽。
b.如果被试样品重离子单粒子翻转LET阈值大于15MeV.cm2/mg，辐照前，样品不需开帽，直接照射被试器件即可。
(2)试验板开发
试验板含有被测器件及测试电路。要求：
a. 单粒子试验板上被测器件周围不准许放置单粒子翻转LET阈值低于15MeV.cm2/mg的器件。
b. 若试验板上需要放置单粒子翻转LET阈值低于15MeV.cm2/mg的器件，其与被试器件的距离应足够远，至少大于5cm。
（3）质子能量种类选择
选择不少于5种能量的质子进行试验。
（4）质子能量选择
对于单粒子翻转LET阈值低于<1MeV.cm2/mg的被试器件，应根据被试器件芯片表明的钝化层厚度和金属化层厚度，采用软件，如TRIM，计算质子到达芯片敏感区后的能量，要求有一种能量的质子达到芯片敏感区的能量在0.7MeV左右。
对于单粒子翻转LET阈值低于>1MeV.cm2/mg的被试器件，选择至少5种能量的质子进行试验，使得获得的最大翻转截面与最小翻转截面相差至少1个数量级以上，建议选择的质子能量范围覆盖5~190MeV。
（5）质子注量率选择
根据被测器件的单粒子翻转发生频度选择合适的注量率，以便实现检测系统对发生的单粒子翻转有充足的检测并完成数据处理的时间，要求：
t1>10×t2
其中，t1为器件发生两次单粒子翻转的时间间隔，t2为检测系统完成1次单粒子翻转检测和数据处理及数据记录所需的时间。
（6）质子注量选择
根据被测器件的单粒子翻转发生数和抗总剂量能力选择累积注量，质子的注量选择应满足以下三点：
a. 发生的单粒子翻转数不少于100个，或质子总注量达到1012质子/cm2。
b. 器件受到的累积总剂量不超过器件的抗总剂量能力
采用下式计算器件受到的总剂量：
D=1.6×10-5×LET×Φ
D为总剂量，单位为(rad)Si
LET为质子的LET，单位为MeV.cm2/mg
Φ为质子注量，单位为/cm2.s
c. 假若器件受的累积总剂量超过器件的抗总剂量能力，但未达到a的要求，则应更换新的样品，接着进行辐照。
（7）质子单粒子试验
对安装在试验板上的被试器件，采用选定能量的质子进行辐照。记录每个能量下检测到的单粒子翻转数。
上述说明书、实施例和数据资料提供了对本发明的可以实现的实施例的结构和作用的完整描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本发明还可具有多个实施例，因此本发明的保护范围不仅仅局限于上述实施例和权利要求之内。
Claims (1)
1.一种用加速器产生的高能质子进行器件质子单粒子翻转试验的方法，其特征在于步骤如下：
（1）被试样品加工
被测器件单粒子翻转LET阈值低于15MeV.cm2/mg，辐照前，样品必需开帽，使芯片裸露，
被测器件单粒子翻转LET阈值大于15MeV.cm2/mg，辐照前，样品可不开帽；
（2）单粒子试验板开发
被测器件放置在单粒子试验板上，单粒子试验板上被测器件周围不准许放置单粒子翻转LET阈值低于15MeV.cm2/mg的器件，
若试验板上需要放置单粒子翻转LET阈值低于15MeV.cm2/mg的器件，其与被试器件的距离应足够远，大于5cm；
（3）质子能量种类选择
选择不少于5种能量的质子进行试验；
（4）质子能量选择
对于单粒子翻转LET阈值低于<1MeV.cm2/mg的被试器件，应根据被试器件芯片表明的钝化层厚度和金属化层厚度，采用软件计算，如TRIM,计算质子到达芯片敏感区后的能量，要求有一种能量的质子达到芯片敏感区的能量在0.7MeV左右，
对于单粒子翻转LET阈值低于>1MeV.cm2/mg的被试器件，选择至少5种能量的质子进行试验，使得获得的最大翻转截面与最小翻转截面相差至少1个数量级以上，建议选择的质子能量范围覆盖5~190MeV；
（5）质子注量率选择
根据被测器件的单粒子翻转发生频度选择合适的注量率，以便实现检测系统对发生的单粒子翻转有充足的检测并完成数据处理的时间，要求：
t1>10×t2
其中，t1为器件发生两次单粒子翻转的时间间隔，t2为检测系统完成1次单粒子翻转检测和数据处理及数据记录所需的时间；
（6）质子注量选择
根据被测器件的单粒子翻转发生数和抗总剂量能力选择累积注量，质子的注量选择应满足以下三点：
a. 发生的单粒子翻转数不少于100个，或质子总注量达到1012质子/cm2，
b. 器件受到的累积总剂量不超过器件的抗总剂量能力；
c. 假若器件受的累积总剂量超过器件的抗总剂量能力，但未达到a的要求，则应更换新的样品，接着进行辐照，
（7）质子单粒子试验；
对安装在试验板上的被试器件，采用选定能量的质子进行辐照，记录每个能量下检测到的单粒子翻转数。
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