CN114460440B - 一种集成电路单粒子效应定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于重离子加速器技术领域，涉及一种集成电路单粒子效应定位系统，包括：重离子定位模块、单粒子效应检测模块和径迹拟合模块，重离子定位模块，设置在重离子束流通道的四周，用于对重离子束流中的粒子进行定位；单粒子效应检测模块，设置在重离子束流通道的后方，用于放置待测集成电路，并将此其对应的单粒子效应；径迹拟合模块，用于将重离子定位模块和单粒子效应检测模块获得的数据进行拟合，从而获得待测集成电路的敏感区。其记录发生单粒子效应时重离子在集成电路上的击中位置及所有重离子的击中位置，从而精准给出单粒子效应的敏感区域，为研究器件设计与单粒子效应的关系、单粒子效应产生机制和抗辐射加固提供精确的实验数据。

Description

一种集成电路单粒子效应定位系统
技术领域
本发明涉及一种集成电路单粒子效应定位系统，属于重离子加速器技术领域，特别涉及重离子精确定位技术领域。
背景技术
目前，集成电路已经广泛用于需要实现数字信息的产生、传输和保存等功能的各种领域。在航天器上也存在大量的微电子器件，但航天器中的微电子器件需要处于大量高能辐射粒子的环境中，而高能辐射粒子会击中集成电路敏感区，会产生电荷沉积导致集成电路故障，甚至航天器的故障。其中，单粒子效应(Single-event effect,SEE)是空间辐射环境对航天器电子元器件产生的主要辐射破坏之一。单粒子效应是一种瞬态效应，指某个特定的高能粒子穿过电路敏感区域所引起的电路故障，此故障有可能造成永久性的损伤，导致集成电路报废。
现有的抗辐射主要有两种手段：空间实验和地面模拟实验。空间实验是借助于搭载卫星和空间站在真实空间辐射环境下的实际测量，其结果真实可信。但由于空间实验的费用昂贵、实验周期长且实验参数不可控，空间实验的次数和规模都受到限制。相比之下，地面模拟实验具有成本低、实验参数可控等优点，因此得到了大规模的使用。目前国际上公认最有效的空间单粒子效应测试手段是利用重离子加速器产生的束流照射集成电路，以诱发单粒子效应来进行相关的测试和研究，通过用一系列具有不同线性能量传输密度LET(Linear Energy Transfer)的离子来辐照器件，可以获得器件的σ-LET曲线(σ为翻转截面)、翻转阈值和饱和截面等重要参数。在测试中需要精确获得每颗原型芯片单粒子效应的敏感区域，进而高效的指导集成电路抗辐射加固，降低芯片的迭代次数和研发周期。现有的方法利用重离子微束平台进行逐点测试，使定位精度达到2-3微米量级，从而只适合非常小的集成电路，不能广泛用于航天器中的集成电路检测。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种集成电路单粒子效应定位系统和方法，其记录发生单粒子效应时重离子在集成电路上的击中位置及所有重离子的击中位置，从而精准给出单粒子效应的敏感区域，为研究器件设计与单粒子效应的关系、单粒子效应产生机制和抗辐射加固提供精确的实验数据。
为了实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种集成电路单粒子效应定位系统，包括：重离子定位模块、单粒子效应检测模块和径迹拟合模块，重离子定位模块，设置在重离子束流通道的四周，用于对重离子束流中的粒子进行定位；单粒子效应检测模块，设置在重离子束流通道的后方，用于放置待测集成电路，并检测其对应的单粒子效应；径迹拟合模块，用于将重离子定位模块和单粒子效应检测模块获得的数据进行拟合，从而获得待测集成电路的敏感区。
进一步，单粒子效应检测模块用于检测单粒子翻转、单粒子闩锁、重离子在集成电路上的击中位置和其他重离子的击中位置。
进一步，重离子定位模块包括像素探测单元，像素探测单元至少包括一组垂直电荷搜集器和水平电荷搜集器。
进一步，垂直电荷搜集器和水平电荷搜集器均包括阴极板和粒子径迹投影板，阴极板和粒子径迹投影板相对设置，重离子束流从二者之间通过。
进一步，粒子径迹投影板上设置呈阵列排布的像素探测器，像素探测器接收漂移到对应像素点上的空间电荷，并且完成空间电荷到电信号的转换。
进一步，像素探测器还包括能量测量电路和时间测量电路，分别用于检测漂移到粒子径迹投影板上的粒子的能量和到达时间。
进一步，径迹拟合模块在粒子径迹投影板获得的每一帧图像中找寻到粒子的径迹投影，将径迹投影沿着粒子的入射方向进行切割，拟合出切割后的每一行的中心位置，把所有行的中心位置进行直线拟合，获得重离子的实际径迹位置，从而给出单粒子效应的敏感区域。
进一步，中心位置为切割后每一行的重心。
进一步，径迹拟合模块通过像素探测器提供的时间分辨能力来完成伪径迹粒子，每个粒子进入探测区域后电离出的电子开始漂移，电子的漂移速度为固定值，通过一个方向电荷漂移到像素探测器的时间计算出该方向上粒子的漂移距离，漂移距离用于计算另一个与其垂直方向上的定位精度范围。
进一步，定位精度范围通过将像素探测器的时间分辨率、漂移速度和粒子的到达时间相乘获得。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明能够检测集成电路上发生的单粒子翻转和单粒子闩锁，记录发生单粒子效应时重离子在集成电路上的击中位置及所有重离子的击中位置，从而精准给出单粒子效应的敏感区域，为研究器件设计与单粒子效应的关系、单粒子效应产生机制和抗辐射加固提供精确的实验数据。
2、本发明中的检测精度仍然可以达到微米级，也就是说相对于现有技术精度并没有降低，但其可以用于比较大型的集成电路，而且系统结构相对现有技术进行了简化，不再需要逐点测试。
附图说明
图1是本发明一实施例中集成电路单粒子效应定位系统的结构示意图，图中箭头方法为重离子入射方向；
图2是本发明一实施例中像素探测器的结构示意图；
图3是本发明一实施例中定位系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明涉及一种集成电路单粒子效应定位系统，其通过重离子定位模块确定重离子束中单粒子位置，单粒子效应测试模块对集成电路的单粒子效应进行检测，径迹拟合模块，用于将二者的数据进行拟合。本发明能够检测集成电路上发生的单粒子翻转和单粒子闩锁，记录发生单粒子效应时重离子在集成电路上的击中位置及所有重离子的击中位置，从而精准给出单粒子效应的敏感区域，为研究器件设计与单粒子效应的关系、单粒子效应产生机制和抗辐射加固提供精确的实验数据。下面结合附图，通过一实施例对本发明方案进行详细说明。
实施例
本实施例公开了一种集成电路单粒子效应定位系统，如图1所示，包括：重离子定位模块、单粒子效应检测模块和径迹拟合模块，重离子束流沿图1中Z方向入射，依次经过重离子定位模块、单粒子效应检测模块，在径迹拟合模块中汇总。
重离子定位模块，设置在重离子束流通道的四周，用于对重离子束流中的粒子进行定位。
单粒子效应检测模块，设置在重离子束流通道的后方，用于放置待测集成电路，并检测其对应的单粒子效应。单粒子效应检测模块用于检测单粒子翻转、单粒子闩锁、重离子在集成电路上的击中位置和其他重离子的击中位置。
径迹拟合模块，用于将重离子定位模块和单粒子效应检测模块获得的数据进行拟合，从而获得待测集成电路的敏感区。单个重离子的径迹形成一个类似高斯分布的投影，径迹拟合模块首先在单粒子效应检测模块获得的每一帧图像中找寻到重离子的径迹投影，然后将这些径迹投影沿着重离子的入射方向进行切割，对切割后的每一行通过重心法拟合出中心位置，之后把所有行的中心位置进行直线拟合，即可以获得重离子的实际径迹位置。本实施例中方案记录发生单粒子效应时重离子在集成电路上的击中位置及所有重离子的击中位置，从而精准给出单粒子效应的敏感区域，为研究器件设计与单粒子效应的关系、单粒子效应产生机制和抗辐射加固提供精确的实验数据。另一方面，本实施例中方案在保持检测精度不变的前提下，可以用于较大尺寸的集成电路。
重离子定位模块包括像素探测单元，像素探测单元至少包括一组垂直电荷搜集器和水平电荷搜集器。沿Z方向入射的重离子束流依次经过垂直电荷搜集器和水平电荷搜集器。垂直电荷搜集器用于获得重离子径迹在Y-Z平面上的投影，水平电荷搜集器用于获得重离子径迹在X-Z平面上的投影。垂直电荷搜集器和水平电荷搜集器均包括阴极板1和粒子径迹投影板2，阴极板1和粒子径迹投影板2相对设置，重离子束流从二者之间通过。
重离子束流入射后，离子电离气体产生电荷，电荷在电场的作用下漂移到粒子径迹投影板2，如图2所示，粒子径迹投影板2上设置呈阵列排布的像素探测器，每个像素探测器与一个像素点对应，每个粒子径迹投影板2上设置M×N个像素探测器，其中，M和N均为正整数，像素探测器的数量可以根据实际检测面积确定。像素探测器通过电荷接收单元接收漂移到对应像素点上的空间电荷，完成重离子径迹投影，并且完成空间电荷到电信号的转换。像素探测器还包括能量测量电路和时间测量电路，用于检测漂移到粒子径迹投影板2上的粒子的能量和到达时间。读出电路接收电荷接收单元、能量测量电路和时间测量电路的数据，并将其传输至径迹拟合模块。
径迹拟合模块对垂直电荷搜集器和水平电荷搜集器获得的投影的中心位置进行拟合，可以精确得出每个重离子径迹在X-Z和Y-Z平面上的角度和位置，通过其在X-Z和Y-Z平面上的角度和位置在三维空间中对重离子径迹进行重构，从而得到每个重离子在被测集成电路上的击中位置。
如图3所示，对于多个到达像素探测器时间较为相近的重离子，通过X-Z和Y-Z平面上的投影重建后得出的击中位置，包括N2-N个伪粒子。通过粒子径迹模块进行粒子径迹定位，可以得到每个重离子在X和Y平面上的位置，进而得出重离子的在(X，Y)平面的位置。本实施例中通过像素探测器提供的时间分辨能力来完成伪径迹粒子的去除。每个粒子进入探测区域后电离出电子开始漂移，电子在特定气体中的漂移速度为固定值，因此通过一个方向电荷漂移到像素探测器的时间可以计算出该方向上粒子的漂移距离，用于计算另一个方向与其垂直方向上的定位精度范围，该范围通常在几十到几百微米，从而来完成可疑粒子的筛选。定位精度范围通过将像素探测器的时间分辨率、漂移速度和粒子的到达时间相乘获得。当Topmetal-SEE的时间精度为50ns，电子的漂移速度～7.5mm/μs，束流中粒子满足平均分布，能够提供的分辨率～375μm。设备在工作时每个数据帧中的粒子数量一般为4～5个，两个或多个粒子进入同一个375μm×375μm的区间概率估算可得小于1％，因此利用像素探测器提供的时间分辨能够有效的去除伪径迹。
在单粒子效应检测系统中，待测集成电路发生单粒子效应时会产生出发信号传输至径迹拟合模块，径迹拟合模块记录下当前造成单粒子效应的重离子击中位置。通过记录每个重离子的击中位置与引发单粒子效应的重离子击中位置，从而精准的给出单粒子效应的敏感区分布。
本实施例能够检测集成电路上发生的单粒子翻转和单粒子闩锁，单粒子翻转和单粒子闩锁可以通过单粒子检测实现，单粒子翻转是给待测芯片写入已知二进制bits，实时读取bits，观测是否出现0—>1或1—>0的跳变，若出现则发生翻转。单粒子闩锁是待测芯片在发生闩锁是会产生一个超过电路正常工作时的大电流，其数值通常可达数十毫安甚至几安，通过检测该电流即可观察电流有无跳变来监测是否闩锁。
记录发生单粒子效应时重离子在集成电路上的击中位置及所有重离子的击中位置，从而精准给出单粒子效应的敏感区域，为研究器件设计与单粒子效应的关系、单粒子效应产生机制和抗辐射加固提供精确的实验数据。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种集成电路单粒子效应定位系统，其特征在于，包括：重离子定位模块、单粒子效应检测模块和径迹拟合模块，
所述重离子定位模块，设置在重离子束流通道的四周，用于对重离子束流中的粒子进行定位；
所述单粒子效应检测模块，设置在重离子束流通道的后方，用于放置待测集成电路，并检测其对应的单粒子效应；
所述径迹拟合模块，用于将重离子定位模块和所述单粒子效应检测模块获得的数据进行拟合，从而获得所述待测集成电路的敏感区；
所述径迹拟合模块在粒子径迹投影板获得的每一帧图像中找寻到粒子的径迹投影，将所述径迹投影沿着粒子的入射方向进行切割，拟合出切割后的每一行的中心位置，把所有行的中心位置进行直线拟合，获得重离子的实际径迹位置，从而给出单粒子效应的敏感区域。
2.如权利要求1所述的集成电路单粒子效应定位系统，其特征在于，所述单粒子效应检测模块用于检测单粒子翻转、单粒子闩锁、重离子在集成电路上的击中位置和其他重离子的击中位置。
3.如权利要求1所述的集成电路单粒子效应定位系统，其特征在于，所述重离子定位模块包括像素探测单元，所述像素探测单元至少包括一组垂直电荷搜集器和水平电荷搜集器。
4.如权利要求3所述的集成电路单粒子效应定位系统，其特征在于，所述垂直电荷搜集器和水平电荷搜集器均包括阴极板和粒子径迹投影板，所述阴极板和所述粒子径迹投影板相对设置，所述重离子束流从二者之间通过。
5.如权利要求4所述的集成电路单粒子效应定位系统，其特征在于，所述粒子径迹投影板上设置呈阵列排布的像素探测器，所述像素探测器接收漂移到对应像素点上的空间电荷，并且完成空间电荷到电信号的转换。
6.如权利要求5所述的集成电路单粒子效应定位系统，其特征在于，所述像素探测器还包括能量测量电路和时间测量电路，分别用于检测漂移到所述粒子径迹投影板上的粒子的能量和到达时间。
7.如权利要求1所述的集成电路单粒子效应定位系统，其特征在于，所述中心位置为切割后每一行的重心。
8.如权利要求7所述的集成电路单粒子效应定位系统，其特征在于，所述径迹拟合模块通过像素探测器提供的时间分辨能力来完成伪径迹粒子，每个粒子进入探测区域后电离出的电子开始漂移，电子的漂移速度为固定值，通过一个方向电荷漂移到像素探测器的时间计算出该方向上粒子的漂移距离，所述漂移距离用于计算另一个与其垂直方向上的定位精度范围。
9.如权利要求8所述的集成电路单粒子效应定位系统，其特征在于，所述定位精度范围通过将所述像素探测器的时间分辨率、漂移速度和所述粒子的到达时间相乘获得。
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