CN109917263A - 无人值守的半导体器件单粒子效应测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

无人值守的半导体器件单粒子效应测量系统及测量方法。为减少试验人员的负担，实现在低通量环境下对器件多种单粒子效应进行长时间测量，本发明提供了一种无人值守半导体器件单粒子效应测量系统及测量方法。测量系统包括辐照板、测试板、通信模块、故障诊断及复位模块、远程计算机以及主电源和不间断电源；辐照板用于设置待测半导体器件；测试板与辐照板相连；测试板用于测量、记录、发送单粒子效应数据；测试板中配置有内存卡；故障诊断及复位模块用于对系统进行定时自检及开机自检，并能在监测到故障后，通过重新上电的方式对系统进行复位；监测到系统从断电中恢复供电后，读取内存卡中的配置数据重新配置测试系统，使其继续断电前的测试工作；远程计算机用于对测试板和辐照板进行远程监控。

Description

无人值守的半导体器件单粒子效应测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种无人值守半导体器件单粒子效应测量系统及测量方法。

背景技术

半导体器件在工作时所遭受的辐射主要取决于辐射环境，如在空间应用中，存在严重的辐射环境；其次，在器件制造过程中，或者在大气层以内的环境中工作的半导体器件也可能会遭受各种辐射的影响，如总剂量效应、单粒子效应等。随着半导体器件特征尺寸的降低，总剂量效应的影响越来小，相反单粒子效应的威胁变得越来越严重。单粒子效应包括，单粒子瞬态软错误、单粒子静态软错误、单粒子闩锁和单粒子硬错误。

目前，半导体器件的抗单粒子效应加固技术已经成为研究的热点。在相关技术研究的过程中，需要判断器件抗各种单粒子效应能力。目前，主要通过设计不同的单粒子效应测量系统来测量不同的单粒子效应；或者给测量系统设计不同的测量模式，通过人工切换测量不同的单粒子效应类型；这种方式适合于利用模拟辐射源加速开展电子器件的辐照试验。因为与真实辐射环境相比，模拟辐射源的注量率(或通量)一般高出7-8个数量级，能够在短时间内(一般数分钟到数小时不等)完成辐照试验，在此过程中参试人员可以人工更换测量系统或者通过实时交互切换测量模式。较之模拟辐射源，天然辐射环境更加贴近器件工作的实际环境，利用天然辐射环境开展试验研究获得的结果更具说服力。然而，相对于模拟辐射源，天然辐射环境的辐射通量相对较小(如大气中子环境)，引发的单粒子效应概率也相对较小，这就要求单粒子效应测量持续更长时间(数月到数年不等)，试验人员不可能现场全程参与整个辐照试验；此外，天然辐射环境不同于实验室环境，也要求测量系统具有适应更复杂环境的生存能力，因此需要无人值守条件下能够可靠独立工作的单粒子效应测量系统。

发明内容

为了减少试验人员的负担，实现在低通量环境下对器件多种单粒子效应进行长时间测量，本发明提供了一种能够独立可靠工作的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统。

本发明的技术方案是：

无人值守半导体器件单粒子效应测量系统，其特殊之处在于：包括辐照板、测试板、通信模块、故障诊断及复位模块、远程计算机以及用于向通信模块、测试板和辐照板供电的主电源和不间断电源；

辐照板用于设置n个待测半导体器件，n>0；

测试板与辐照板相连；测试板用于实时测量、记录单粒子效应数据，并在通信正常时将所述单粒子效应数据通过通信模块发送给所述远程计算机；测试板中配置有内存卡；

通信模块有多种，且可切换使用；

所述故障诊断及复位模块用于对单粒子效应测量系统进行定时自检及开机自检，并能在监测到故障后，通过重新上电的方式对系统进行复位；监测到系统从断电中恢复供电后，读取所述内存卡中的配置数据重新配置测试系统，使其继续断电前的测试工作；

远程计算机通过多种可切换的通信模块与测试板相连接，对测试板和辐照板进行远程监控。

进一步地，在辐照板和待测半导体器件之间，测试板和辐照板之间，通信模块和测试板之间采用抗震动的连接方式进行连接，辐照板、测试板、通信模块与外壳之间设置有减震垫。

进一步地，通信模块、辐照板和测试板所采用的电子器件均为抗辐射芯片和抗辐射电子器件；抗辐照芯片和抗辐射电子器件在待测辐射环境中不发生影响系统性能效应。

进一步地，通信模块、测试板和辐照板上所选用的芯片和器件的工作温度范围均满足测试环境的温度要求。

进一步地，通信模块包括互联网模块、4G模块和北斗短报文通信模块。

本发明还提供了一种基于上述的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统测量半导体器件单粒子效应的方法，其特殊之处在于，步骤如下：

1)向所有地址中写入数据，并初始化当前地址，进入步骤2)；

2)判断当前地址所在器件是否发生单粒子闩锁，若是，则在内存卡中记录同时向远程计算机发送单粒子闩锁数据，并进入步骤3)；若否，则进入步骤4)；

3)判断当前地址所在器件是否发生硬错误，若是，则记录单粒子硬错误同时屏蔽该器件，并进入步骤7)；若否，则向当前器件中写入数据，并进入步骤2)；

4)判断并记录单粒子瞬态软错误、单粒子静态软错误和单粒子硬错误数据后进入步骤5)；

所述步骤4)的具体步骤如下：

4.1)读取当前地址数据，并判断与写入数据是否相同，若是，则进入步骤5)；若否，则进入步骤4.2)；

4.2)读取当前地址数据，并判断与写入数据是否相同，若是，则表明发生了单粒子瞬态软错误，此时在内存卡中记录并向远程计算机发送单粒子瞬态软错误信息，进入步骤5)；若否，则表明未发生单粒子瞬态软错误，此时向当前地址写入数据后读取数据，并进入步骤4.3)；

4.3)判断当前地址读出数据与写入数据是否相同，若是，则表明发生了单粒子静态软错误，此时在内存卡中记录并向远程计算机发送单粒子静态软错误信息，进入步骤5)；若否，则表明发生了单粒子硬错误，此时在内存卡中记录并向远程计算机发送单粒子硬错误信息，进入步骤5)；

5)判断当前地址是否是所有地址空间中的最后一个地址，若是则进入步骤7)；若否则地址加1，进入步骤6)；

6)判断当前地址是否已屏蔽，若是，则进入步骤5)；若否则返回步骤2)；

7)判断是否满足结束条件，若是，则结束测试流程；若否，则进入步骤8)；

8)判断预设的测试模式，若是动态测试模式，则返回步骤1)；若是静态测试模式，则等待设定时间后初始化地址，并进入步骤6)；

进一步地，步骤2)中，判断是否出现单粒子闩锁的依据是：根据监测的器件静态电流进行判断，如果器件的静态电流明显大于其正常工作电流，则认为该器件发生了单粒子闩锁。

进一步地，步骤3)中，判断器件是否出现硬错误的依据是：如果器件发生单粒子闩锁，重新上电后无法退出闩锁状态，则认为该器件发生了硬错误。

进一步地，步骤7)中，判断是否满足结束条件的依据是：如果累积的效应数达到预期值或者辐照时间达到预设时间，则认为满足结束条件。

本发明的有益效果：

1、本发明的测量系统利用多种远程通信模式、高可靠供电方式、故障监测与恢复方法，增加测量系统的可靠性和独立工作能力，从而实现对低通量辐射环境下器件单粒子效应长期无人值守测量。

2、本发明的测量系统考虑了震动、温度等适应设计，可以用于不同海拔地面、高山和航空搭载等环境的试验中，测量大气中子单粒子效应。

3、本发明的测量方法能够同时测量多种类型的单粒子效应，包括单粒子瞬态软错误、单粒子静态软错误、单粒子闩锁和单粒子硬错误，从而节省了人工切换效应类型测量模式的工作。

4、本发明的测量方法具有动态测量和静态测量两种工作模式，能够满足多种测试需求。

附图说明

图1为本发明实施例无人值守半导体器件单粒子效应测量系统的组成框图。

图2为基于本发明实施例无人值守半导体器件单粒子效应测量系统的单粒子效应测量方法流程图。

图3为本发明实施例无人值守半导体器件单粒子效应测量系统不同单粒子效应判断方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。

参照图1所示，本实施例的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统包括远程计算机、测试板、辐照板和通信模块四部分。辐照板上集成待测器件(DUT，Device undertest)，辐照板与测试板进行有线通信连接，整体放置于天然辐射环境中。远程计算机远程连接测试板，对测试板和辐照板进行远程监控。测试板实时测量、记录并向远程计算机发送单粒子效应数据。

为减少测试过程中人员干预的需求，本实施例的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统按照图2和图3给出的方法流程，能够同时对单粒子瞬态软错误、单粒子静态软错误、单粒子闩锁和单粒子硬错误进行测量，无需根据效应类型人工切换不同的测试模式。此外，本实施例的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统还可以根据需要，灵活的选择单粒子效应的测试的静态测量模式和动态测量模式。

为确保测试板和辐照板能够在无人值守情况下独立可靠的工作，采取以下措施：使用不间断电源供电，确保系统供电不间断；进行环境适应性设计，如器件工作温度范围选型和抗震动设计，确保相应环境下测试系统不发生故障；在测试板上设计故障诊断及复位模块，对单粒子效应测量系统进行定时自检及开机自检，监测到辐照板电压电流异常时，对测试板和辐照板重新加电进行复位，确保常见故障能够被监测和恢复，监测到系统从断电中恢复供电时，读取内存卡中的配置数据重新配置测试系统，使其继续断电前的测试工作。采用多种远程通信方式，确保一种通信方式失效的情况下，仍能对系统进行远程监控。在测试板上配置非易失内存卡，用于实时保存测到的单粒子效应数据和系统配置数据，保证即使所有通信均失效或掉电的情况下，试验数据不丢失，且在重新通电之后继续开启测量工作。

本实施例中的通信模块、测试板和辐照板采用不间断电源(UPS)供电，当主电源(如电网)故障时，自动切换到的不间断电源(UPS)的蓄电池供电，当主电源恢复正常时，自动切换(一般UPS电源具备自动切换功能)到主电源供电。

本发明的一个典型应用是针对SRAM器件大气中子单粒子效应开展测试。由于SRAM存储器属于单粒子效应敏感器件，系统中用到的其他分立器件如二极管、功率器件、AD/DA等具备较好的抗大气中子单粒子效应能力，因此在通信模块、测试板和辐照板上，仅需要对包含SRAM的非待测芯片和器件(如DSP、FPGA)进行抗辐照选型(如选择抗辐照能力更强的航空电子器件或汽车电子器件)，即可满足所用芯片和器件的抗辐射性能。

本发明还对通信模块、测试板和辐照板进行了抗震动设计，所有接口采用抗震动连接方式，具体是在辐照板和待测半导体器件之间，测试板和辐照板之间，测试板和通信模块之间采用抗震动的连接方式，如焊接和航空接插件连接，测试系统外壳与封装在其内部的测试板、辐照板和通信模块之间采用橡胶减震垫进行减震。

本发明中的通信模块、测试板和辐照板所使用的芯片和电子器件均针对环境温度进行选型，工作温度范围要满足测试环境的需要，如在高空开展飞行器搭载的大气中子单粒子效应试验，要考虑高空的低温条件。

测试板和远程计算机之间进行远程连接，以满足试验人员通过远程计算机对系统进行远程监控的需求。本实施例中，测试板和远程计算机是通过互联网和北斗短报文通信连接，在有互联网的环境下(如在地面宇宙射线观测站开展试验时)用互联网；在互联网不畅(如开展长时间飞行器搭载单粒子效应试验时)的情况下用北斗短报文通信。

即使在无法保证远程通信条件下，试验结束后，可取回测试系统，从测试板中取出内存卡(如MicroSD卡或SD卡)，并从内存卡中读出试验过程中获取的试验数据以便于后续分析。

如图2和图3所示，利用图1所示的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统测量半导体器件单粒子效应的方法具体如下：

1)向所有地址中写入数据，并初始化当前地址，进入步骤2)；

2)判断当前地址所在器件是否发生单粒子闩锁，若是，则在内存卡中记录同时向远程计算机发送单粒子闩锁数据，并进入步骤3)；若否，则进入步骤4)；

3)判断当前地址所在器件是否发生硬错误，若是，则记录单粒子硬错误同时屏蔽该器件，并进入步骤7)；若否，则向当前器件中写入数据，并进入步骤2)；

4)判断并记录单粒子瞬态软错误、单粒子静态软错误和单粒子硬错误数据后进入步骤5)；

所述步骤4)的具体步骤如下：

4.1)读取当前地址数据，并判断与写入数据是否相同，若是，则进入步骤5)；若否，则进入步骤4.2)；

4.2)读取当前地址数据，并判断与写入数据是否相同，若是，则表明发生了单粒子瞬态软错误，此时在内存卡中记录并向远程计算机发送单粒子瞬态软错误信息，则结束本步骤流程后进入步骤5)；若否，则表明未发生单粒子瞬态软错误，此时向当前地址写入数据后读取数据，并进入步骤4.3)；

4.3)判断当前地址读出数据与写入数据是否相同，若是，则表明发生了单粒子静态软错误，此时在内存卡中记录并向远程计算机发送单粒子静态软错误信息，则结束本步骤流程后进入步骤5)；若否，则表明发生了单粒子硬错误，此时在内存卡中记录并向远程计算机发送单粒子硬错误信息，则结束本步骤流程后进入步骤5)；

5)判断当前地址是否是所有地址空间中的最后一个地址，若是则进入步骤7)；若否则地址加1，进入步骤6)；

6)判断当前地址是否已屏蔽，若是，则进入步骤5)；若否则返回步骤2)；

7)判断是否满足结束条件，若是，则结束测试流程；若否，则进入步骤8)；

8)判断预设的测试模式，若是动态测试模式，则返回步骤1)；若是静态测试模式，则等待设定时间后初始化地址，并进入步骤6)；

上述步骤2)中，判断是否出现单粒子闩锁的依据是：根据监测的器件静态电流进行判断，如果器件的静态电流明显大于其正常工作电流，则认为该器件发生了单粒子闩锁。

上述步骤3)中，判断器件是否出现硬错误的依据是：如果器件发生单粒子闩锁，重新上电后无法退出闩锁状态，则认为该器件发生了硬错误。

上述步骤7)中，判断是否满足结束条件的依据是：如果累积的效应数达到预期值或者辐照时间达到预设时间，则认为满足结束条件。

Claims (9)

1.无人值守半导体器件单粒子效应测量系统，其特征在于：包括辐照板、测试板、通信模块、故障诊断及复位模块、远程计算机以及用于向通信模块、测试板和辐照板供电的主电源和不间断电源；

辐照板用于设置n个待测半导体器件，n>0；

测试板与辐照板相连；测试板用于实时测量、记录单粒子效应数据，并在通信正常时将所述单粒子效应数据通过通信模块发送给所述远程计算机；测试板中配置有内存卡；

通信模块有多种，且可切换使用；

所述故障诊断及复位模块用于对单粒子效应测量系统进行定时自检及开机自检，并能在监测到故障后，通过重新上电的方式对系统进行复位；监测到系统从断电中恢复供电后，读取所述内存卡中的配置数据重新配置测试系统，使其继续断电前的测试工作；

远程计算机通过多种可切换的通信模块与测试板相连接，对测试板和辐照板进行远程监控。

2.根据权利要求1所述的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统，其特征在于：在辐照板和待测半导体器件之间，测试板和辐照板之间，通信模块和测试板之间采用抗震动的连接方式进行连接，辐照板、测试板、通信模块与外壳之间设置有减震垫。

3.根据权利要求1或2所述的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统，其特征在于：通信模块、辐照板和测试板所采用的电子器件均为抗辐射芯片和抗辐射电子器件；抗辐照芯片和抗辐射电子器件在待测辐射环境中不发生影响系统性能效应。

4.根据权利要求1所述的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统，其特征在于：通信模块、测试板和辐照板上所选用的芯片和器件的工作温度范围均满足测试环境的温度要求。

5.根据权利要求1所述的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统，其特征在于：通信模块包括互联网模块、4G模块和北斗短报文通信模块。

6.基于权利要求1-5任一所述的无人值守半导体器件单粒子效应测量系统测量半导体器件单粒子效应的方法，其特征在于，步骤如下：

1)向所有地址中写入数据，并初始化当前地址，进入步骤2)；

2)判断当前地址所在器件是否发生单粒子闩锁，若是，则在内存卡中记录同时向远程计算机发送单粒子闩锁数据，并进入步骤3)；若否，则进入步骤4)；

3)判断当前地址所在器件是否发生硬错误，若是，则记录单粒子硬错误同时屏蔽该器件，并进入步骤7)；若否，则向当前器件中写入数据，并进入步骤2)；

4)判断并记录单粒子瞬态软错误、单粒子静态软错误和单粒子硬错误数据后进入步骤5)；

所述步骤4)的具体步骤如下：

4.1)读取当前地址数据，并判断与写入数据是否相同，若是，则进入步骤5)；若否，则进入步骤4.2)；

4.2)读取当前地址数据，并判断与写入数据是否相同，若是，则表明发生了单粒子瞬态软错误，此时在内存卡中记录并向远程计算机发送单粒子瞬态软错误信息，进入步骤5)；若否，则表明未发生单粒子瞬态软错误，此时向当前地址写入数据后读取数据，并进入步骤4.3)；

4.3)判断当前地址读出数据与写入数据是否相同，若是，则表明发生了单粒子静态软错误，此时在内存卡中记录并向远程计算机发送单粒子静态软错误信息，进入步骤5)；若否，则表明发生了单粒子硬错误，此时在内存卡中记录并向远程计算机发送单粒子硬错误信息，进入步骤5)；

5)判断当前地址是否是所有地址空间中的最后一个地址，若是则进入步骤7)；若否则地址加1，进入步骤6)；

6)判断当前地址是否已屏蔽，若是，则进入步骤5)；若否则返回步骤2)；

7)判断是否满足结束条件，若是，则结束测试流程；若否，则进入步骤8)；

8)判断预设的测试模式，若是动态测试模式，则返回步骤1)；若是静态测试模式，则等待设定时间后初始化地址，并进入步骤6)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤2)中，判断是否出现单粒子闩锁的依据是：根据监测的器件静态电流进行判断，如果器件的静态电流明显大于其正常工作电流，则认为该器件发生了单粒子闩锁。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤3)中，判断器件是否出现硬错误的依据是：如果器件发生单粒子闩锁，重新上电后无法退出闩锁状态，则认为该器件发生了硬错误。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤7)中，判断是否满足结束条件的依据是：如果累积的效应数达到预期值或者辐照时间达到预设时间，则认为满足结束条件。