CN116735981A - 一种数字集成电路辐射效应原位测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种数字集成电路辐射效应原位测试系统及测试方法，用于解决现有的辐射效应原位测试系统无法实现对数字集成电路的性能和功能进行全面测试的技术问题。测试系统包括驱动单元、采集单元及分析单元；采集单元包括SMU测试模块和至少一个数字向量测试模块，SMU测试模块用于为待测数字集成电路供电并采集待测数字集成电路的功耗电流；数字向量测试模块用于为待测数字集成电路输入电信号激励，并采集待测数字集成电路输出的电平信号；分析单元用于接收SMU测试模块和每个数字向量测试模块采集到的信息，并对其进行处理。
Description
技术领域
本发明涉及一种辐射效应测试系统，尤其涉及一种数字集成电路辐射效应原位测试系统及测试方法。
背景技术
随着航天技术的发展，航空航天的任务与日俱增，而航天器在宇宙空间中运行时，会收到电子、质子及各种能量的重离子的辐射，从而导致航天器中的电子元器件发生空间辐射效应。目前，空间辐射效应导致的电子元器件辐射损伤已经成为航天器发生故障的主要原因，约占在轨故障的45％。
与电子和重离子只能引起某一两种空间辐射效应相比，质子会引起电离辐射总剂量效应、单粒子效应、位移损伤效应这三大主要的空间辐射效应。因此，近几年多家研究机构新建了多台质子加速器，利用地面加速器辐射模拟装置研究质子导致电子元器件辐射损伤的机理。
数字集成电路是航天器电子系统中的重要组成部分，其包括存储器、FPGA、DSP等大规模集成电路，也包括54、74型号系列的中小规模集成电路。辐射效应将会直接导致数字集成电路电参数超差，甚至功能失效，从而导致整个航天器系统出现故障。因此，数字集成电路在航天应用前，必须进行抗辐射评估试验，而评估试验一般采用移位测试或者原位测试。
移位测试是指将被测数字集成电路辐射后，再将其放至数字集成电路测试系统上进行性能和功能的测试。移位测试能够得到全面的器件参数，但缺点是存在时变效应，移位测试中的时间间隔应尽量短；同时，在中子或质子的位移损伤辐照后器件会发生活化，辐照后需立即将器件从辐射源取出测试，会对人体健康产生辐射损害。在电离总剂量辐照过程中，由于辐射源单位很少拥有数字集成电路测试系统，同时将体积庞大、重量上吨的数字集成电路测试系统搬运到试验现场很不实际。因而辐照试验往往是将数字集成电路器件结束辐照后，再运至数字集成电路测试系统进行测试，但运输过程会耗费大量时间，造成器件的退火，测试值与辐照后的实际值偏差较大，另一方面，数字集成电路单粒子辐射效应评估试验通常使用原位测试，原位测试是指被测器件在进行辐射的同时对其进行测试，测试系统通常硬件是基于FPGA、DSP等大规模处理数字集成电路的测试板，软件是基于被测器件的功能和性能特点开发的上位机和下位机软件。辐照过程中针对器件的敏感参数进行实时检测，这种方法有利于对辐射试验中的器件进行实时监控并及时得到器件的失效阈值。但是，由于FPGA、DSP等技术二次开发和功能扩展能力有限，目前的辐射效应原位测试系统无法实现数字集成电路系统所有的性能和功能参数的全面测试。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的辐射效应原位测试系统无法实现对数字集成电路的性能和功能进行全面测试的技术问题，而提供一种数字集成电路辐射效应原位测试系统及测试方法。
为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：
一种数字集成电路辐射效应原位测试系统，其特殊之处在于：包括驱动单元、采集单元及分析单元；所述采集单元包括SMU测试模块和至少一个数字向量测试模块；
所述SMU测试模块的输入端和每个数字向量测试模块的输入端分别与驱动单元连接；所述SMU测试模块和每个数字向量测试模块分别用于与待测数字集成电路连接，待测数字集成电路位于辐射场内；所述SMU测试模块用于为待测数字集成电路供电并采集待测数字集成电路的功耗电流；所述数字向量测试模块用于为待测数字集成电路输入测试向量，并采集待测数字集成电路输出的电平信号；
所述分析单元分别与SMU测试模块的输出端和每个数字向量测试模块的输出端连接，用于接收SMU测试模块和每个数字向量测试模块采集到的信息，并对其进行处理。
进一步地，还包括显示单元，所述显示单元与分析单元连接，用于显示分析单元输出的处理结果。
进一步地，所述驱动单元和采集单元均位于辐射场外。
进一步地，所述驱动单元和采集单元均位于辐射场内，且采用抗辐射屏蔽盒进行屏蔽。
进一步地，所述SMU测试模块包括至少一块双路的SMU测试板卡，或者至少两个单路的SMU测试板卡。
进一步地，所述驱动单元、SMU测试模块、数字向量测试模块及分析单元均采用labview和Python编程语言进行编程。
此外，本发明还提供一种采用数字集成电路辐射效应原位测试方法，包括以下步骤：
步骤1】搭建系统
搭建上述的数字集成电路辐射效应原位测试系统，设置参考电平VOL和VOH，并将待测数字集成电路放置于辐射场内；
步骤2】驱动采集单元
通过驱动单元分别驱动SMU测试模块和每个数字向量测试模块，为待测数字集成电路供电，并输入固定的测试向量；
步骤3】采集功能数据
利用数字向量测试模块对待测数字集成电路上的每个输出管脚指定一个输入采样时间，并接收待测数字集成电路在输入采样时间内输出的电平信号，所述电平信号即为待测数字集成电路的功能数据；
步骤4】采集性能数据
通过数字向量测试模块采集待测数字集成电路的性能数据，所述性能数据包括AC参数和DC参数；
步骤5】数据分析处理
对步骤3】和步骤4】采集到的数据进行处理，获取待测数字集成电路的辐射敏感参数，并选出排名前三位的辐射敏感参数；
步骤6】获取辐射损伤的边界值
采用shmoo测试法对排名前三位的辐射敏感参数进行测试，得到待测数字集成电路的辐射损伤边界值；所述辐射损伤边界值指在某个剂量点下敏感参数的失效值，以及与敏感参数测试相关的电参数的失效值，进而完成数字集成电路的辐射效应原位测试。
进一步地，步骤5具体为：
5.1】采用RobustScaler对步骤3】采集到功能数据和步骤4】采集到的性能数据分别进行转换，去掉异常值；
5.2】对去掉异常值的数据使用sklearn.decomposition.PCA类进行降维，并使用sklearn.decomposition.PCA类中的n_components参数指定降维后的数据的特征维度的数目；
5.3】对降维后的数据进行归一化处理，将方差设定为1，得到真实的辐射敏感参数。
进一步地，步骤3】中，对输出的信号电平与步骤1】设置的参考电平VOL或VOH进行比较，若输出的信号电平小于设置的参考电平VOL则表示待测数字集成电路输出管脚的输出逻辑功能为低电平，若输出的信号电平大于设置的参考电平VOH则表示待测数字集成电路输出管脚的输出逻辑功能为高电平。
进一步地，步骤6】具体为：
对辐射敏感参数中排名前三位的敏感参数，及与其测试相关的电参数分别建立二维或三维的shmoo测试视图，进而得到排名前三位的敏感参数之间的相互影响曲线，最终得到待测数字集成电路的辐射敏感参数在辐照期间的辐射损伤边界值。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明的测试系统包括驱动单元、采集单元及分析单元；采集单元包括SMU测试模块和至少一个数字向量测试模块，SMU测试模块用于为待测数字集成电路供电并采集待测数字集成电路的功耗电流；数字向量测试模块用于为待测数字集成电路输入电信号激励，并采集待测数字集成电路输出的电平信号；分析单元用于接收SMU测试模块和每个数字向量测试模块采集到的信息，并对其进行处理。本发明采用硬件和软件相结合的手段完成对数字集成电路在辐照过程中的功能和性能参数的全面测试，整体结构集成度高，适用范围广。
2、基于本发明的测试方法可定量获得每个辐射敏感参数对待测数字集成电路辐射损伤的影响。
附图说明
图1为本发明一种数字集成电路辐射效应原位测试系统实施例的结构示意图；
图2为本发明一种数字集成电路辐射效应原位测试方法实施例的流程图；
图3为本发明一种数字集成电路辐射效应原位测试方法实施例中数据分析处理过程流程图。
附图标记如下：
1-驱动单元，2-采集单元，3-分析单元，4-SMU测试模块，5-数字向量测试模块，6-待测数字集成电路，7-显示单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
参照图1，本发明提供一种数字集成电路辐射效应原位测试系统，包括驱动单元1、采集单元2、分析单元3及显示单元7。待测数字集成电路6位于辐射场内，驱动单元1和采集单元2可位于辐射场外，也可位于辐射场内，若均位于辐射场内时，驱动单元1和采集单元2需采用抗辐射屏蔽盒进行屏蔽。
采集单元2包括SMU测试模块4和至少一个数字向量测试模块5，SMU测试模块4的输入端和每个数字向量测试模块5的输入端分别与驱动单元1连接，SMU测试模块4和每个数字向量测试模块5分别用于与待测数字集成电路6连接。SMU测试模块4包括至少一块双路的SMU测试板卡，或者至少两个单路的SMU测试板卡，用于为待测数字集成电路6供电并采集待测数字集成电路6的功耗电流。数字向量测试模块5用于为待测数字集成电路6输入测试向量，并采集待测数字集成电路6输出的电平信号。
本实施例中，采集单元2选用基于PXI板卡的测试机箱，机箱内装入一块SMU测试板卡和2块数字向量测试板卡，数字向量测试模块5搭载于数字向量测试板卡上，由数字向量测试板卡为待测数字集成电路的输入管脚提供电信号激励，并接收待测数字集成电路输出管脚的输出电信号。每块数字向量测试板卡拥有32个数字通道，即采集单元2可以用于采集64个输入输出管脚以内的待测数字集成电路6，若待测数字集成电路6的管脚数众多，则可考虑插入更多数量的数字向量测试板卡。
驱动单元1选用基于PXI的控制器板卡，将控制器板卡装入测试机箱中，通过控制器的显示连接线连接在显示终端的屏幕上。也可以使用笔记本、台式电脑作为测试系统的控制器，使用蓝牙线或MXI线实现外设计算机对测试机箱的控制。
分析单元3分别与SMU测试模块4的输出端和每个数字向量测试模块5的输出端连接，用于接收SMU测试模块4和每个数字向量测试模块5采集到的信息，并对接收到的信息进行处理。显示单元7与分析单元3连接，用于显示分析单元3输出的处理结果。
驱动单元1、SMU测试模块4、数字向量测试模块5及分析单元3均采用labview和Python编程语言进行软件编程，通过软件控制整个测试系统。
参照图2，本发明还提供一种数字集成电路辐射效应原位测试方法，包括以下步骤：
步骤1】搭建系统
搭建数字集成电路辐射效应原位测试系统，设置参考电平VOL和VOH，并将待测数字集成电路6放置于辐射场内。
具体为，将待测数字集成电路6夹在通用辐照测试PCB板的底座上，辐照测试PCB板采用通用化设计，设计实现了64管脚以内的不同封装、不同供电管脚顺序、不同接地管脚顺序的数字集成电路都可以在PCB上进行测试和辐照。PCB板的另一面有VCC、GND和VHDCI的母座，通过VHDCI屏蔽线以及BNC三同轴屏蔽线分别与辐射场外的SMU测试模块4和数字向量测试模块5相连接。
步骤2】驱动采集单元
通过驱动单元1分别驱动SMU测试模块4和每个数字向量测试模块5，为待测数字集成电路6供电，并输入固定的测试向量。依据具体要求向输入管脚输入相应的电平和时序。
步骤3】采集功能数据
对待测数字集成电路6输入驱动指令后，利用数字向量测试模块5对待测数字集成电路6上的每个输出管脚指定一个输入采样时间，并接收待测数字集成电路6在输入采样时间内输出的电平信号，电平信号即为待测数字集成电路6的功能数据。
本步骤中，还需对输出的信号电平与步骤1】设置的参考电平VOL或VOH进行比较，因测试向量含有每个管脚的期望逻辑状态，如果期望是逻辑0，当采样进行时，待测数字集成电路6输出的信号电平小于设置的参考电平VOL，则表示待测数字集成电路输出管脚的输出逻辑功能为低电平；如果期望是逻辑1，则输出的信号电平大于设置的参考电平VOH，则表示待测数字集成电路输出管脚的输出逻辑功能为高电平。
步骤4】采集性能数据
通过数字向量测试模块5采集待测数字集成电路6的直流电流电压信号和交流时间信号，获得待测数字集成电路6的性能数据，性能数据包括AC参数和DC参数。
AC参数的测试以功能测试为基础，依据器件手册中测量某一项或是某几项功能或性能参数时，需要向输入管脚输入的电平和时序为基准，若以测试数据建立时间，则将它设置为规格书定义的数值，将其余参数放宽，运行相应的功能向量，若功能测试失败，则是因建立时间导致的测试失败。若结果通过，下一步则将建立时间参数放宽，测试另一AC参数。
DC参数的测试主要使用数字向量测试板卡中的PMU(Precision MeasurementUnit，精密测量单元)精确测量DC参数，PMU能驱动电流进入待测数字集成电路6后测量电压，或者为待测数字集成电路6加上电压后测量产生的电流。
步骤5】数据分析处理
参照图3，由于原位在线辐照会在辐照期间会产生大量的辐照数据，而对上Gb海量数据的处理与分析，从中找到辐射敏感参数，揭示敏感参数之间的关联将会是一个巨大的问题。本发明的数据分析处理过程主要采用主成分分析算法，主成分分析通过线性变换将试验获得电参数数据变换为一组各维度线性无关的矩阵，从中提取辐射效应试验数据中的主要特征分量，将拥有多维的电参数的辐射效应数据降维为二维或三维的电参数数据，并表示出第一主成分与第二主成分所占的方差比例，从而得到辐照过程中最受影响的前三位的辐射敏感参数。处理过程分为三个部分，具体如下：
5.1】数据预处理
为了提高试验的辐射效应数据主成分分析的准确率提高，需要对数据进行预处理，本实施例采用RobustScaler对步骤3】采集到功能数据和步骤4】采集到的性能数据分别进行中位数和四分位数的转换，转换的直接结果就是去掉了辐照过程中产生的异常值，保证了数据在一定的误差范围内建立数学模型。
5.2】数据降维
在辐照试验过程中，需要对待测数字集成电路6的多个电参数进行监测，而电参数的数量甚至达到了10个以上，但每个参数对待测数字集成电路6的辐射损伤机理并非同等重要，因此需选出对于机理分析起到了决定性的影响的参数特征。
对去掉异常值的数据使用sklearn.decomposition.PCA类进行降维，并使用sklearn.decomposition.PCA类中的n_components参数指定降维后的数据的特征维度的数目，以便于关键参数特征的快速提取。
5.3】特征提取
使用主成分分析对关键参数特征进行提取就是使用数据的白化功能，因辐射效应的各个性能参数会有一定的相关性，白化功能就是对降维后的数据的每个特征进行归一化，将方差设定为1，降低性能参数的相关性，得到真实的辐射敏感参数，为后续的辐射效应损伤机理分析提供数据保证。
本发明通过数据处理软件将在线采集的各个参数分别放入以各参数命名的excel文件中，通过设置各个参数的阈值，如果在辐照过程中参数超过这个阈值，则将这个参数判定为辐射敏感参数。使用机器学习中的主成分分析方法，从数学的角度上分析每个辐射敏感参数在辐射损伤影响的排位，进而选取出影响前三位的辐射敏感参数。
步骤6】获取辐射损伤的边界值
使用shmoo测试法对影响排名前三位的辐射敏感参数进行测试，测试过程中同样再次需要对测试板卡进行驱动，获得三项辐射敏感参数及与该三项辐射敏感参数测试相关的电参数的测试结果，进而建立二维或三维的shmoo测试视图，进而得到排名前三位的辐射敏感参数之间的相互影响曲线，最终得到待测数字集成电路6的辐射敏感参数在辐照期间的辐射损伤边界值，进而完成数字集成电路6的辐射效应原位测试。本实施例中，辐射损伤边界值指在某个剂量点下敏感参数的失效值、与敏感参数测试相关的电参数失效值，该边界值可用于下一步的数字器件辐射损伤机理分析。
本发明采用硬件和软件相结合的手段对数字集成电路在辐照过程中的性能参数进行测试，使用机器学习的库函数确定辐射敏感参数，并提出辐射敏感参数对辐射损伤影响的排位，该数据处理方法可以引入到辐射效应标准方法中，从而保证辐射效应试验的科学性与保守性。另外，本发明可定量获得每个辐射敏感参数对数字集成电路辐射损伤的影响，进而实现数字集成电路的性能和功能的全面测试。
本发明的技术方案可以实现对数字集成电路各性能参数的全面监测，有利于对数字集成电路单粒子效应的定位及相应的抗辐射加固，并对发展数字集成电路单粒子效应试验方法和标准起到积极作用。同时，基于本发明的测试方法可使数字集成电路电离总剂量和位移效应试验在线测试过程中获得更为完整的性能参数测试，为两种效应的试验方法的更新与发展提供更好的基础。
Claims (10)
1.一种数字集成电路辐射效应原位测试系统，其特征在于：
包括驱动单元(1)、采集单元(2)及分析单元(3)；所述采集单元(2)包括SMU测试模块(4)和至少一个数字向量测试模块(5)；
所述SMU测试模块(4)的输入端和每个数字向量测试模块(5)的输入端分别与驱动单元(1)连接；
所述SMU测试模块(4)和每个数字向量测试模块(5)分别用于与待测数字集成电路(6)连接，待测数字集成电路(6)位于辐射场内；
所述SMU测试模块(4)用于为待测数字集成电路(6)供电并采集待测数字集成电路(6)的功耗电流；所述数字向量测试模块(5)用于为待测数字集成电路(6)输入测试向量，并采集待测数字集成电路(6)输出的电平信号；
所述分析单元(3)分别与SMU测试模块(4)的输出端和每个数字向量测试模块(5)的输出端连接，用于接收SMU测试模块(4)和每个数字向量测试模块(5)采集到的信息，并对其进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种数字集成电路辐射效应原位测试系统，其特征在于：
还包括显示单元(7)，所述显示单元(7)与分析单元(3)连接，用于显示分析单元(3)输出的处理结果。
3.根据权利要求2所述的一种数字集成电路辐射效应原位测试系统，其特征在于：
所述驱动单元(1)和采集单元(2)均位于辐射场外。
4.根据权利要求2所述的一种数字集成电路辐射效应原位测试系统，其特征在于：
所述驱动单元(1)和采集单元(2)均位于辐射场内，且采用抗辐射屏蔽盒进行屏蔽。
5.根据权利要求3或4所述的一种数字集成电路辐射效应原位测试系统，其特征在于：
所述SMU测试模块(4)包括至少一块双路的SMU测试板卡，或者至少两个单路的SMU测试板卡。
6.根据权利要求5所述的一种数字集成电路辐射效应原位测试系统，其特征在于：
所述驱动单元(1)、SMU测试模块(4)、数字向量测试模块(5)及分析单元(3)均采用labview和Python编程语言进行编程。
7.一种数字集成电路辐射效应原位测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1】搭建系统
搭建权利要求1-6任一所述的数字集成电路辐射效应原位测试系统，设置参考电平VOL和VOH，并将待测数字集成电路(6)放置于辐射场内；
步骤2】驱动采集单元
通过驱动单元(1)分别驱动SMU测试模块(4)和每个数字向量测试模块(5)，为待测数字集成电路(6)供电，并输入固定的测试向量；
步骤3】采集功能数据
利用数字向量测试模块(5)对待测数字集成电路(6)上的每个输出管脚指定一个输入采样时间，并接收待测数字集成电路(6)在输入采样时间内输出的电平信号，所述电平信号即为待测数字集成电路(6)的功能数据；
步骤4】采集性能数据
通过数字向量测试模块(5)采集待测数字集成电路(6)的性能数据，所述性能数据包括AC参数和DC参数；
步骤5】数据分析处理
对步骤3】和步骤4】采集到的数据进行处理，获取待测数字集成电路(6)的辐射敏感参数，并选出排名前三位的辐射敏感参数；
步骤6】获取辐射损伤的边界值
采用shmoo测试法对排名前三位的辐射敏感参数进行测试，得到待测数字集成电路(6)的辐射损伤边界值，进而完成数字集成电路(6)的辐射效应原位测试；所述辐射损伤边界值指在某个剂量点下敏感参数的失效值，以及与敏感参数测试相关的电参数的失效值。
8.根据权利要求7所述的数字集成电路辐射效应原位测试方法，其特征在于，步骤5具体为：
5.1】采用RobustScaler对步骤3】采集到功能数据和步骤4】采集到的性能数据分别进行转换，去掉异常值；
5.2】对去掉异常值的数据使用sklearn.decomposition.PCA类进行降维，并使用sklearn.decomposition.PCA类中的n_components参数指定降维后的数据的特征维度的数目；
5.3】对降维后的数据进行归一化处理，将方差设定为1，得到真实的辐射敏感参数。
9.根据权利要求8所述的数字集成电路辐射效应原位测试方法，其特征在于：
步骤3】中，对输出的信号电平与步骤1】设置的参考电平VOL或VOH进行比较，若输出的信号电平小于设置的参考电平VOL则表示待测数字集成电路输出管脚的输出逻辑功能为低电平，若输出的信号电平大于设置的参考电平VOH则表示待测数字集成电路输出管脚的输出逻辑功能为高电平。
10.根据权利要求9所述的数字集成电路辐射效应原位测试方法，其特征在于，步骤6】具体为：
对辐射敏感参数中排名前三位的敏感参数，及与其测试相关的电参数分别建立二维或三维的shmoo测试视图，进而得到排名前三位的敏感参数之间的相互影响曲线，最终得到待测数字集成电路(6)的辐射敏感参数在辐照期间的辐射损伤边界值。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2023
- 2023-05-05 CN CN202310502367.2A patent/CN116735981A/zh active Pending
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN118091356A (zh) * | 2024-04-18 | 2024-05-28 | 南京大学 | 一种辐照场景下半导体器件特性参数监测系统及方法 |
| CN118091356B (zh) * | 2024-04-18 | 2024-08-02 | 南京大学 | 一种辐照场景下半导体器件特性参数监测系统及方法 |
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