CN110910946A - 一种基于三维叠层封装sram器件的在轨单粒子翻转甄别系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维叠层封装SRAM器件的在轨单粒子翻转甄别系统，该系统由三维叠层封装SRAM器件，电源模块，单粒子翻转数据分析模块组成，三维叠层封装SRAM器件与单粒子翻转数据分析模块连接，电源模块与三维叠层封装SRAM器件连接，所述三维叠层封装SRAM器件为3层‑10层，三维封装SRAM器件中各层之间需对齐，电源模块对三维叠层封装SRAM器件的各层分别供电，单粒子翻转数据分析模块通过分析三维叠层封装SRAM器件各层翻转存储单元的相对位置，完成单粒子翻转的在轨甄别，该系统能够在轨甄别单粒子翻转，并获取导致单粒子翻转高能粒子的LET及入射角度信息。进而分析电子器件真实的在轨单粒子翻转率，这对于单粒子效应产生机理、评估方法及加固技术研究具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于空间辐射效应探测技术领域，具体涉及一种基于三维叠层封装SRAM器件的在轨单粒子翻转甄别系统。
背景技术
空间辐射环境是引起航天器电子元器件性能退化甚至功能失效的主要环境因素。其中重离子、质子等带电粒子在器件的灵敏区内产生大量的带电粒子，诱发单粒子效应，从而引起电子元器件发生单粒子翻转、单粒子瞬态、单粒子功能中断等现象。单粒子效应是影响航天器安全、可靠性运行的主要因素之一。
单粒子翻转是指数字集成电路中存储单元、寄存器等数据存储结构发生0到1或1到0的数据翻转，是数字集成电路单粒子效应的主要表现形式。然而对于空间辐射环境应用的数字集成电路，充放电效应、电源电压扰动等其他因素也可导致数据存储结构发生数据翻转，与单粒子效应难以区分。分析在轨翻转数据，甄别出单粒子翻转的原因对于单粒子效应机理研究及有效加固具有重要意义。同时，准确的在轨单粒子翻转试验数据可用于验证单粒子在轨翻转率计算模型，指导单粒子效应理论研究。反之，将充放电效应、电源电压扰动等其他因素导致的数据翻转误认为单粒子效应，必然会增加芯片加固设计的面积开销，导致集成电路性能下降。
目前单粒子效应的在轨探测一般采用SRAM器件。SRAM器件包含大量重复的存储单元，适合单粒子翻转的探测。但是，已有在轨探测数据显示存储单元翻转发生的概率大于地面模拟试验的预估，存在其他影响因素的误判。普通的SRAM器件用于单粒子翻转在轨探测，缺少不同因素导致存储单元翻转物理过程的信息，进而难以对单粒子效应、充放电效应、电源电压扰动进行甄别，需要新的在轨单粒子翻转探测技术。
发明内容
本发明的目的是，提供一种基于三维叠层封装SRAM器件的在轨单粒子翻转甄别系统，该系统由三维叠层封装SRAM器件，电源模块，单粒子翻转数据分析模块组成，三维叠层封装SRAM器件与单粒子翻转数据分析模块连接，电源模块与三维叠层封装SRAM器件连接，所述三维叠层封装SRAM器件为3层-10层，三维封装SRAM器件中各层之间需对齐，电源模块对三维叠层封装SRAM器件的各层分别供电，单粒子翻转数据分析模块通过分析三维叠层封装SRAM器件各层翻转存储单元的相对位置，完成单粒子翻转的在轨甄别，该系统能够在轨甄别单粒子翻转，通过分析叠层封装中不同层芯片翻转存储单元地址的关联，甄别翻转存储单元是否是由单粒子效应导致，并获取导致单粒子翻转高能粒子的LET及入射角度信息。进而分析电子器件真实的在轨单粒子翻转率，这对于单粒子效应产生机理、评估方法及加固技术研究具有重要的意义。
本发明所述的一种基于三维叠层封装SRAM器件的在轨单粒子翻转甄别系统，该系统由三维叠层封装SRAM器件(1)，电源模块(2)，单粒子翻转数据分析模块(3)组成，三维叠层封装SRAM器件(1)与单粒子翻转数据分析模块(3)连接，电源模块(2)与三维叠层封装SRAM器件(1)连接，所述三维叠层封装SRAM器件(1)为3层-10层，三维封装SRAM器件(1)中各层之间需对齐，电源模块(2)对三维叠层封装SRAM器件(1)的各层分别供电，单粒子翻转数据分析模块(3)通过分析三维叠层封装SRAM器件(1)各层翻转存储单元的相对位置，完成单粒子翻转的在轨甄别，具体操作按下列步骤进行：
a、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得精确的三维叠层封装SRAM器件(1)各层的相对位置，SRAM芯片存储单元的尺寸在微米量级，在地面重离子加速器实验时，对三维叠层封装SRAM器件进行垂直入射，分析不同层SRAM芯片翻转存储单元地址的偏差，对三维叠层封装SRAM器件(1)不同层的相对位置进行校正；
b、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件(1)翻转存储单元地址之间的映射关系，将各层SRAM芯片存储单元翻转的物理地址进行连线，反映高能粒子入射的路径，进而确定入射角度；
c、通过分析三维叠层封装SRAM器件逻辑地址与物理地址的映射关系，将三维叠层封装SRAM器件(1)在轨翻转存储单元的逻辑地址转换为物理地址；
d、依据高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件(1)的各层翻转存储单元的物理地址的映射关系，甄别单粒子效应，获得入射高能粒子角度及LET值信息。
与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：
1、利用三维叠层封装SRAM器件，将单粒子翻转的在轨探测由二维平面扩展到三维空间，获得高能粒子入射电子器件导致单粒子翻转的物理过程信息；
2、利用空间高能粒子在硅材料强穿透性的特性，完成单粒子翻转的在轨准确甄别，并获得导致单粒子翻转高能粒子的入射角度、LET信息。
针对空间环境在轨单粒子翻转甄别的需求，本发明提出了一种基于三维叠层封装SRAM器件的在轨单粒子翻转甄别系统，该系统通过三维叠层SRAM器件、电源模块、单粒子翻转数据分析模块集成化设计，解决目前在轨单粒子翻转甄别的难题，能够为单粒子效应研究提供真实的在轨实测数据，对电子器件抗辐射保障技术研究有重要意义。
附图说明
图1为本发明整体框架示意图；
图2为本发明三维叠层封装SRAM器件单粒子翻转示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。应当理解的是，以上的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
实施例1
本发明所述的一种基于三维叠层封装SRAM器件的在轨单粒子翻转甄别系统，该系统由三维叠层封装SRAM器件1，电源模块2，单粒子翻转数据分析模块3组成，三维叠层封装SRAM器件1与单粒子翻转数据分析模块3连接，电源模块2与三维叠层封装SRAM器件1连接如图1所示，所述三维叠层封装SRAM器件1为3层，三维封装SRAM器件1中3层之间需对齐，电源模块2对三维叠层封装SRAM器件1的3层分别供电，单粒子翻转数据分析模块3通过分析三维叠层封装SRAM器件1中3层翻转存储单元的相对位置，完成单粒子翻转的在轨甄别，具体操作按下列步骤进行：
a、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得精确的三维叠层封装SRAM器件1中3层的相对位置，本发明中单粒子效应的甄别是依据3层SRAM芯片翻转存储单元的相对位置而进行的，SRAM芯片存储单元的尺寸在微米量级，但三维叠层封装SRAM器件1中3层之间的对齐难以精确在微米量级范围内，所以SRAM芯片的存储单元3层之间存在一定程度的位错，因此需要在地面重离子加速器实验时，对三维叠层封装SRAM器件1进行垂直入射，分析3层SRAM芯片翻转存储单元地址的偏差，对SRAM器件3层的相对位置进行校正；
b、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件翻转存储单元地址之间的映射关系，本发明通过对三维叠层封装SRAM器件1进行不同入射角度、不同LET的重离子辐照试验，分析3层SRAM芯片翻转存储单元地址的特点，建立高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件1翻转存储单元地址的映射关系，将3层SRAM芯片存储单元翻转的物理地址进行连线，可以反映高能粒子入射的路径，进而确定入射角度；
c、将三维叠层封装SRAM器件1在轨翻转存储单元的逻辑地址转换成物理地址，SRAM存储单元的逻辑地址是指器件地址线代表的顺序关系；SRAM存储单元的物理地址则代表不同存储单元在芯片物理位置的相对关系；单粒子翻转发生位置的确定需要分析翻转存储单元的物理地址信息；SRAM器件的逻辑地址与物理地址不同，但存在映射关系；本发明通过分析三维叠层封装SRAM器件逻辑地址与物理地址的映射关系，将三维叠层封装SRAM器件1在轨翻转存储单元的逻辑地址转换为物理地址；
d、对比三维叠层封装SRAM器件1中3层翻转存储单元的物理地址，甄别单粒子效应，获得入射高能粒子角度及LET信息，本发明依据高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件翻转存储单元地址的映射关系，确定翻转存储单元是否由单粒子效应导致，以及导致单粒子效应高能粒子的入射角度及LET值；
如图2所示，当空间辐射环境中的高能带电粒子入射至三维叠层封装SRAM器件时，与硅材料发生电离作用，产生大量的电子-空穴对，在SRAM存储单元的灵敏节点形成脉冲信号；当脉冲信号的幅度及宽度大于临界值时，SRAM存储单元出现数据翻转；空间辐射环境中高能粒子在硅材料中的典型射程在厘米量级，大于三维叠层封装SRAM器件中多层芯片的总厚度，因此高能粒子入射会在不同层SRAM芯片中都产生单粒子翻转；这也是单粒子效应在三维叠层封装器件产生数据翻转的独特特性，利用该特性可完成单粒子翻转的在轨甄别；
通常情况下，三维叠层封装SRAM器件1中的3层可共用同一电源，本发明为了甄别电源电压不稳定导致的数据翻转，3层SRAM芯片采用独立供电，在独立供电条件下，电源电压不稳定仅可导致某一层SRAM芯片发生数据翻转，可与单粒子效应导致的多层同时翻转进行区分；
单粒子翻转数据分析模块可完成三维叠层封装SRAM器件读写数据操作，并记录存储单元翻转事件的信息，进行单粒子翻转在轨甄别前，单粒子翻转数据分析模块对三维叠层封装SRAM器件1进行写数据操作，如写入固定数据55h、AAh(16进制)，单粒子翻转在轨甄别过程中，单粒子翻转数据分析模块对三维叠层封装SRAM器件反复进行遍历地址的读数据操作，当读取数据与写入数据不一致，则记录为存储单元数据翻转，并存储存储单元地址、翻转数据、翻转时间信息；
单粒子翻转数据分析模块用于对存储单元数据翻转数据进行分析，依据空间辐射环境高能粒子导致三维叠层封装SRAM器件存储单元翻转的特性，完成单粒子翻转的在轨甄别。
实施例2
本发明所述的一种基于三维叠层封装SRAM器件的在轨单粒子翻转甄别系统，该系统由三维叠层封装SRAM器件1，电源模块2，单粒子翻转数据分析模块3组成，三维叠层封装SRAM器件1与单粒子翻转数据分析模块3连接，电源模块2与三维叠层封装SRAM器件1连接如图1所示，所述三维叠层封装SRAM器件1为5层，三维封装SRAM器件1中5层之间需对齐，电源模块2对三维叠层封装SRAM器件1的5层分别供电，单粒子翻转数据分析模块3通过分析三维叠层封装SRAM器件1中5层翻转存储单元的相对位置，完成单粒子翻转的在轨甄别，具体操作按下列步骤进行：
a、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得精确的三维叠层封装SRAM器件1中5层的相对位置，本发明中单粒子效应的甄别是依据5层SRAM芯片翻转存储单元的相对位置而进行的，SRAM芯片存储单元的尺寸在微米量级，但三维叠层封装SRAM器件1中5层之间的对齐难以精确在微米量级范围内，所以SRAM芯片的存储单元5层之间存在一定程度的位错，因此需要在地面重离子加速器实验时，对三维叠层封装SRAM器件1进行垂直入射，分析5层SRAM芯片翻转存储单元地址的偏差，对SRAM器件5层的相对位置进行校正；
b、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件翻转存储单元地址之间的映射关系，本发明通过对三维叠层封装SRAM器件1进行不同入射角度、不同LET的重离子辐照试验，分析5层SRAM芯片翻转存储单元地址的特点，建立高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件1翻转存储单元地址的映射关系，将5层SRAM芯片存储单元翻转的物理地址进行连线，可以反映高能粒子入射的路径，进而确定入射角度；
c、将三维叠层封装SRAM器件1在轨翻转存储单元的逻辑地址转换成物理地址，SRAM存储单元的逻辑地址是指器件地址线代表的顺序关系；SRAM存储单元的物理地址则代表不同存储单元在芯片物理位置的相对关系；单粒子翻转发生位置的确定需要分析翻转存储单元的物理地址信息；SRAM器件的逻辑地址与物理地址不同，但存在映射关系；本发明通过分析三维叠层封装SRAM器件逻辑地址与物理地址的映射关系，将三维叠层封装SRAM器件1在轨翻转存储单元的逻辑地址转换为物理地址；
d、对比三维叠层封装SRAM器件1中5层翻转存储单元的物理地址，甄别单粒子效应，获得入射高能粒子角度及LET信息，本发明依据高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件翻转存储单元地址的映射关系，确定翻转存储单元是否由单粒子效应导致，以及导致单粒子效应高能粒子的入射角度及LET值；
如图2所示，当空间辐射环境中的高能带电粒子入射至三维叠层封装SRAM器件时，与硅材料发生电离作用，产生大量的电子-空穴对，在SRAM存储单元的灵敏节点形成脉冲信号；当脉冲信号的幅度及宽度大于临界值时，SRAM存储单元出现数据翻转；空间辐射环境中高能粒子在硅材料中的典型射程在厘米量级，大于三维叠层封装SRAM器件中多层芯片的总厚度，因此高能粒子入射会在不同层SRAM芯片中都产生单粒子翻转；这也是单粒子效应在三维叠层封装器件产生数据翻转的独特特性，利用该特性可完成单粒子翻转的在轨甄别；
通常情况下，三维叠层封装SRAM器件1中的5层可共用同一电源，本发明为了甄别电源电压不稳定导致的数据翻转，5层SRAM芯片采用独立供电，在独立供电条件下，电源电压不稳定仅可导致某一层SRAM芯片发生数据翻转，可与单粒子效应导致的多层同时翻转进行区分；
单粒子翻转数据分析模块可完成三维叠层封装SRAM器件读写数据操作，并记录存储单元翻转事件的信息，进行单粒子翻转在轨甄别前，单粒子翻转数据分析模块对三维叠层封装SRAM器件1进行写数据操作，如写入固定数据55h、AAh(16进制)，单粒子翻转在轨甄别过程中，单粒子翻转数据分析模块对三维叠层封装SRAM器件反复进行遍历地址的读数据操作，当读取数据与写入数据不一致，则记录为存储单元数据翻转，并存储存储单元地址、翻转数据、翻转时间信息；
单粒子翻转数据分析模块用于对存储单元数据翻转数据进行分析，依据空间辐射环境高能粒子导致三维叠层封装SRAM器件存储单元翻转的特性，完成单粒子翻转的在轨甄别。
实施例3
本发明所述的一种基于三维叠层封装SRAM器件的在轨单粒子翻转甄别系统，该系统由三维叠层封装SRAM器件1，电源模块2，单粒子翻转数据分析模块3组成，三维叠层封装SRAM器件1与单粒子翻转数据分析模块3连接，电源模块2与三维叠层封装SRAM器件1连接如图1所示，所述三维叠层封装SRAM器件1为10层，三维封装SRAM器件1中10层之间需对齐，电源模块2对三维叠层封装SRAM器件1的10层分别供电，单粒子翻转数据分析模块3通过分析三维叠层封装SRAM器件110层翻转存储单元的相对位置，完成单粒子翻转的在轨甄别，具体操作按下列步骤进行：
a、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得精确的三维叠层封装SRAM器件1中10层的相对位置，本发明中单粒子效应的甄别是依据10层SRAM芯片翻转存储单元的相对位置而进行的，SRAM芯片存储单元的尺寸在微米量级，但三维叠层封装SRAM器件1中10层之间的对齐难以精确在微米量级范围内，所以SRAM芯片的存储单元10层之间存在一定程度的位错，因此需要在地面重离子加速器实验时，对三维叠层封装SRAM器件1进行垂直入射，分析10层SRAM芯片翻转存储单元地址的偏差，对SRAM器件10层的相对位置进行校正；
b、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件翻转存储单元地址之间的映射关系，本发明通过对三维叠层封装SRAM器件1进行不同入射角度、不同LET的重离子辐照试验，分析10层SRAM芯片翻转存储单元地址的特点，建立高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件1翻转存储单元地址的映射关系，将10层SRAM芯片存储单元翻转的物理地址进行连线，可以反映高能粒子入射的路径，进而确定入射角度；
c、将三维叠层封装SRAM器件1在轨翻转存储单元的逻辑地址转换成物理地址，SRAM存储单元的逻辑地址是指器件地址线代表的顺序关系；SRAM存储单元的物理地址则代表不同存储单元在芯片物理位置的相对关系；单粒子翻转发生位置的确定需要分析翻转存储单元的物理地址信息；SRAM器件的逻辑地址与物理地址不同，但存在映射关系；本发明通过分析三维叠层封装SRAM器件逻辑地址与物理地址的映射关系，将三维叠层封装SRAM器件1在轨翻转存储单元的逻辑地址转换为物理地址；
d、对比三维叠层封装SRAM器件1中10层翻转存储单元的物理地址，甄别单粒子效应，获得入射高能粒子角度及LET信息，本发明依据高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件翻转存储单元地址的映射关系，确定翻转存储单元是否由单粒子效应导致，以及导致单粒子效应高能粒子的入射角度及LET值；
如图2所示，当空间辐射环境中的高能带电粒子入射至三维叠层封装SRAM器件时，与硅材料发生电离作用，产生大量的电子-空穴对，在SRAM存储单元的灵敏节点形成脉冲信号；当脉冲信号的幅度及宽度大于临界值时，SRAM存储单元出现数据翻转；空间辐射环境中高能粒子在硅材料中的典型射程在厘米量级，大于三维叠层封装SRAM器件中多层芯片的总厚度，因此高能粒子入射会在不同层SRAM芯片中都产生单粒子翻转；这也是单粒子效应在三维叠层封装器件产生数据翻转的独特特性，利用该特性可完成单粒子翻转的在轨甄别；
通常情况下，三维叠层封装SRAM器件1中的10层可共用同一电源，本发明为了甄别电源电压不稳定导致的数据翻转，10层SRAM芯片采用独立供电，在独立供电条件下，电源电压不稳定仅可导致某一层SRAM芯片发生数据翻转，可与单粒子效应导致的多层同时翻转进行区分；
单粒子翻转数据分析模块可完成三维叠层封装SRAM器件读写数据操作，并记录存储单元翻转事件的信息，进行单粒子翻转在轨甄别前，单粒子翻转数据分析模块对三维叠层封装SRAM器件1进行写数据操作，如写入固定数据55h、AAh(16进制)，单粒子翻转在轨甄别过程中，单粒子翻转数据分析模块对三维叠层封装SRAM器件反复进行遍历地址的读数据操作，当读取数据与写入数据不一致，则记录为存储单元数据翻转，并存储存储单元地址、翻转数据、翻转时间信息；
单粒子翻转数据分析模块用于对存储单元数据翻转数据进行分析，依据空间辐射环境高能粒子导致三维叠层封装SRAM器件存储单元翻转的特性，完成单粒子翻转的在轨甄别。
Claims (1)
1.一种基于三维叠层封装SRAM器件的在轨单粒子翻转甄别系统，其特征在于，该系统由三维叠层封装SRAM器件（1），电源模块（2），单粒子翻转数据分析模块（3）组成，三维叠层封装SRAM器件（1）与单粒子翻转数据分析模块（3）连接，电源模块（2）与三维叠层封装SRAM器件（1）连接，所述三维叠层封装SRAM器件（1）为3层-10层，三维封装SRAM器件（1）中各层之间需对齐，电源模块（2）对三维叠层封装SRAM器件（1）的各层分别供电，单粒子翻转数据分析模块（3）通过分析三维叠层封装SRAM器件（1）各层翻转存储单元的相对位置，完成单粒子翻转的在轨甄别，具体操作按下列步骤进行：
a、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得精确的三维叠层封装SRAM器件（1）各层的相对位置，SRAM芯片存储单元的尺寸在微米量级，在地面重离子加速器实验时，对三维叠层封装SRAM器件进行垂直入射，分析不同层SRAM芯片翻转存储单元地址的偏差，对三维叠层封装SRAM器件（1）不同层的相对位置进行校正；
b、通过地面重离子加速器的模拟试验，获得高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件（1）翻转存储单元地址之间的映射关系，将各层SRAM芯片存储单元翻转的物理地址进行连线，反映高能粒子入射的路径，进而确定入射角度；
c、通过分析三维叠层封装SRAM器件逻辑地址与物理地址的映射关系，将三维叠层封装SRAM器件（1）在轨翻转存储单元的逻辑地址转换为物理地址；
d、依据高能粒子入射角度、LET与三维叠层封装SRAM器件（1）的各层翻转存储单元的物理地址的映射关系，甄别单粒子效应，获得入射高能粒子角度及LET值信息。
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2019
- 2019-11-30 CN CN201911212780.5A patent/CN110910946B/zh active Active
Patent Citations (3)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110910946B (zh) | 2023-11-24 |
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