一种宽范围LET值测量标定系统及方法

一种宽范围let值测量标定系统及方法
技术领域
1.本发明属于空间单粒子效应评估技术及重离子let值测量技术领域，具体涉及一种基于多阈值sram封装器件的宽范围let值测量标定系统及方法。


背景技术：

2.星载电子系统是实现航天器遥控、电源管理、信号处理与收发、姿态控制等关键平台功能的核心部件，其在轨工作的寿命及可靠性直接决定了航天探测任务的成败。自然空间存在较高能量的重离子射线，当其入射到星载电子系统的电子元器件内部时会通过电磁相互作用过程损失能量，在电子元器件的敏感区附近产生大量的电子空穴对，进而使得电子元器件进入严重性系统故障状态。因此，为了确保电子元器件的在轨可靠性，必须根据目标轨道空间的辐射环境等效let开展电子元器件重离子辐照单粒子效应测试考核，以保障航天器在轨运行的安全等级及可靠性寿命。
3.当电子元器件受到自然空间内较高能量的重离子射线照射时，若该存储元件的功能是存储系统的运行指令，单粒子翻转会使器件的控制流中出现非法指令，进而导致电子元器件无法解译该指令而进入程序锁死等严重性系统故障状态。因此，为了确保电子元器件的在轨可靠性，必须根据目标轨道空间的辐射环境等效let开展电子元器件重离子辐照单粒子效应测试考核，以保障航天器在轨运行的安全等级及可靠性寿命。
4.目前国内外主要基于重离子加速器辐照测试技术，开展电子元器件空间重离子单粒子效应测试评估考核。首先，基于地面重离子辐照电子元器件实验结果，获得电子元器件的关键单粒子效应敏感参数：单粒子效应翻转阈值let
th
和饱和事件截面σ
sat
。然后，以空间轨道环境的等效let为输入条件，评估电子元器件的在轨单粒子失效错误率。因此，为了确保电子元器件的在轨单粒子失效错误率评估结果的可靠性，需要解决两个关键的核心问题：一是如何准确标定地面重离子辐照测试离子的let值，二是如何精确标定航天器目标空间轨道环境的等效let值。
5.常规重离子加速器辐照测试单粒子效应实验研究中，确定待测电子元器件表面let0值的方法是求解beth-block方程：
[0006][0007]
其中，z为入射离子的电荷数，e为单位电荷的电量，z为靶材料的原子序数，n为靶材料单位体积中的原子数，ρ为靶材料的密度，m0为电子的静止质量，ν为入射粒子的初始速度，i为靶材料原子的平均电离电势，c为光速。
[0008]
首先通过测量离子束流路径所穿透材质的元素成分以及厚度，然后由初始能量e0出发求解离子到达待测器件表面时的能量损失δe，进而获得待测器件表面的离子能量e＝e
0-δe，代入上述beth-block方程从而计算待测器件表面的let0。但是此方法的缺点在于，beth-block方程是复杂物理过程的理想化简约物理模型，忽视了离子与物质相互作用的随机性、矢量性以及let内禀平均性的物理属性；而且物理测量离子束流路径穿透材质的元素
成分以及厚度具有一定的测量误差。因此，通过理论计算求解待测器件表面let0会与实际的let值存在一定的差异，特别是当离子穿透的物质层较厚时离子的纵向岐离度较大，因此理论计算求解的let值与实际值之间的差异就越发明显。
[0009]
在标定目标空间轨道环境的等效let值方面，目前国内外主要通过空间辐射环境模型及理论计算来确定目标空间轨道环境的等效let值，但目前的空间辐射环境模型将复杂的动态空间辐射环境理想化为简约的固定模型，忽视了辐射环境的局部空间随机性和时间尺度不平均性，通过该固定模型获得的目标空间轨道环境的等效let值与实际let值之间存在一定的差异。因此，基于理论计算获得待测元器件表面let0和目标空间轨道环境的等效let值，进而预估先进纳米器件的在轨错误率的方法存在明显的缺陷与计算误差。
[0010]
另外，先进纳米器件的单粒子翻转临界电荷已降低至0.3fc(2000个电子)及以下，纳米器件表面let0数值的些许变化都将导致器件翻转截面的显著差异，因而传统基于求解beth-block方程以及空间辐射环境模型获得器件表面let0和目标空间轨道let谱的方法，其存在的计算误差会导致预估空间错误率结果的不可靠。因此，需要发展新的let标定测试技术方案，获得精准的let数值，进而确保先进纳米器件地面辐照测试和在轨错误率预估结果的可靠性。


技术实现要素：

[0011]
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于多阈值sram封装器件的宽范围let值测量标定系统及方法，能够对离子let值进行快速准确标定。
[0012]
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0013]
第一方面，本发明提供一种宽范围let值测量标定系统，包括：单粒子翻转标准件测试电路板、多阈值sram封装标准件、上位机以及远程控制中心；
[0014]
所述单粒子翻转标准件测试电路板中设置有控制fpga，所述控制fpga与设置在所述单粒子翻转标准件测试电路板中的多阈值sram封装标准件相连，用于提供输入测试图形码给所述多阈值sram封装标准件，并将在重离子辐照测试过程中动态遍历回读多阈值sram封装标准件中存储阵列的数值与测试图形码进行实时比较，将比较后获得的统计错误数发回给所述上位机；
[0015]
所述上位机根据接收数据对多阈值sram封装标准件的单粒子翻转效应进行实时监测、记录与分析，并构建单粒子效应截面数据库，用于对重离子let值进行标定，同时上传数据到远程控制中心。
[0016]
进一步，所述多阈值sram封装标准件采用封装技术将多个具有不同单粒子翻转let
th
阈值的sram模块均匀封装在一个模具内而成。
[0017]
进一步，各所述sram模块在所述模具内的排布方式使得所述多阈值sram封装器件的测量死区占比最小。
[0018]
进一步，所有所述sram模块的单粒子翻转let
th
阈值组合后使得所述多阈值sram封装标准件的单粒子界面有效上升区能够覆盖1mev
·
cm2/mg～75mev
·
cm2/mg。
[0019]
进一步，所述多阈值sram封装标准件的物理尺寸为2cm
×
2cm及以上。
[0020]
进一步，单粒子翻转标准件电路板还包括电源模块、板载sdram、板载flash、jtag串口和rs232串口；所述板载sdram和板载flash与所述控制fpga相连，且所述板载flash用
于存储所述控制fpga的嵌入式程序的配置文件，所述板载sdram用于提供所述控制fpga的嵌入式程序运行时所需要的额外存储空间；所述jtag串口和rs232串口用于实现所述控制fpga和上位机的通讯；所述电源模块与所述控制fpga、板载sdram和板载flash相连，为其提供电源。
[0021]
进一步，所述多阈值sram封装标准件还经采样电阻和电流传感器与程控电源直供系统相连，所述程控电源直供系统用于为所述多阈值sram封装标准件提供所需的电源，所述电流控制器与采样电阻配合使用完成对所述多阈值sram封装标准件端口实际电流数值采样。
[0022]
第二方面，本发明提供一种宽范围let值测量标定方法，包括以下步骤：
[0023]
制备多阈值sram封装标准件；
[0024]
利用地面重离子加速器实验，建立基于多阈值sram封装标准件的单粒子效应截面数据库；
[0025]
根据不同重离子辐照参数条件下和目标空间轨道辐射条件下多阈值sram封装单粒子翻转效应测试标准件的翻转截面，在得到的单粒子效应截面数据库中进行查找，得到不同重离子辐照参数和目标空间轨道下的表面let0和等效let值。
[0026]
进一步，所述基于地面重离子加速器实验建立多阈值sram封装标准件的单粒子效应截面数据库的方法，包括：
[0027]
在室温环境下，运行上位机软件并对单粒子翻转测试标准件电路板上电检验待测多阈值sram封装标准件的宏观直流电参数和读写功能的正常；
[0028]
在不加任何降能片条件下，由目标重离子的let值范围1mev
·
cm2/mg～75mev
·
cm2/mg内计算确定相应的重离子种类及参数；
[0029]
对待测多阈值sram封装标准件初始化，通过控制fpga向多阈值sram封装标准件写入待测数据图形码后开始重离子辐照；
[0030]
重离子辐照期间，控制fpga不断的循环读取多阈值sram封装标准件存储阵列的数据并与待测数据图形码实时比对，当发现数据翻转事件后控制fpga自动记录相应的错误地址和数据信息，单粒子翻转错误加1并将总错误数发回到上位机显示；
[0031]
重复以上实验步骤，获得多阈值sram封装标准件的完整单粒子翻转截面曲线标定数据库。
[0032]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
[0033]
1、本发明以重离子辐照微电子集成电路产生单粒子效应的物理机制为基础，通过微电子集成电路单粒子翻转截面σ与离子let值之间具有一一对应的数值关系，进而通过重离子辐照单粒子效应实验快速标定离子的let值。由于单粒子效应是离子与物质相互作用随机性、矢量性以及let内禀平均性的综合体现实验结果，因此通过重离子辐照实验直接标定离子let值的技术方案，可有效解决理论计算离子let值的误差问题以及倒封装器件敏感区有效let标定的难题。
[0034]
2、本发明采用sram模块作为let标定的标准件具有离子位置分辨精度高(微米级)、标准件的几何物理尺寸大(厘米级)、时间响应精度高(次微秒量级)、注量率探测量程大(1～10
10
p/cm2·
s)等显著技术优势。因此基于多阈值封装sram标准件，不仅实现了快速标定离子let的功能，还解决了重离子超大注量率和重离子束斑均匀度快速标定的技术难
题。
[0035]
3、本发明设计了基于多let
th
阈值sram封装器件实现宽let值测量的标准件、单粒子翻转截面标定数据库以及快速获得重离子let值的技术方案。基于多let
th
阈值sram模块封装标准件，可实现let值1mev
·
cm2/mg～75mev
·
cm2/mg的宽量程标定。因此本发明设计的let值标定系统，不仅可以广泛应用于不同重离子加速器装置间的不同能段重离子let值的快速测量与标定，而且可以提高重离子辐照单粒子效应实验数据的可靠性与在轨错误率预估的准确性。
[0036]
因此，本发明可以广泛应用于空间单粒子效应评估技术及重离子let值测量技术领域。
附图说明
[0037]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0038]
图1是本发明实施例提供的基于多阈值sram封装器件的宽范围let值测量标定系统结构示意图；
[0039]
图2是典型电子元器件单粒子翻转截面随辐照离子let的变化趋势；
[0040]
图3是本发明实施例提供的多阈值sram封装器件结构示意图；
[0041]
图4是多阈值sram封装标准件单粒子翻转截面数据库的搭建技术流程；
[0042]
图5是典型电子元器件单粒子翻转截面随辐照离子let的变化趋势；
[0043]
图6是多阈值、多工艺节点sram封装标准器件的设计；
[0044]
图7是多阈值sram封装标准器件的重离子辐照标定实验示意图；
[0045]
图8是多阈值sram封装标准器件的单粒子翻转曲线数据库(绿线)。
具体实施方式
[0046]
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的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0048]
本发明的一些实施例中，提出一种基于多阈值sram封装器件的宽范围let值测量标定系统，以重离子辐照微电子集成电路产生的单粒子翻转效应的物理机理为设计原理，通过获取单粒子翻转截面σ与重离子let值之间具有一一对应的数值关系，进而实现通过重离子辐照单粒子效应实验快速标定重离子的let值。由于单粒子效应是离子与物质相互作用随机性、矢量性以及let内禀平均性的综合体现结果，因此通过重离子辐照实验的直接标定可有效解决理论计算误差的问题。此外本发明还解决了计算离子能量歧离度较大的理论
难题，为标定重离子穿透倒封装器件几百微米厚衬底后的有效let的标定问题提供了一种有效的技术方案。
[0049]
实施例1
[0050]
如图1所示，本实施例提供一种宽范围let值测量标定系统，其包括：单粒子翻转标准件测试电路板、多阈值sram封装标准件、上位机和远程控制中心。其中，单粒子翻转标准件测试电路板中设置有控制fpga，该控制fpga与设置在单粒子翻转标准件测试电路板中的多阈值sram封装标准件相连，用于提供输入测试图形码给多阈值sram封装标准件，并将在重离子辐照测试过程中动态遍历回读多阈值sram封装标准件中存储阵列的数值与测试图形码进行实时比较，将比较后获得的统计错误数发回给上位机；上位机根据接收数据对多阈值sram封装标准件的单粒子翻转效应的实时监测、记录与分析，并构建单粒子效应截面数据库，用于对重离子let值进行标定，同时上传数据到远程控制中心。
[0051]
优选地，单粒子翻转标准件电路板还包括电源模块、板载sdram、板载flash、jtag串口和rs232串口。其中，板载sdram和板载flash与控制fpga相连，且板载flash用于存储控制fpga嵌入式程序的配置文件，板载sdram用于提供控制fpga嵌入式程序运行时所需要的额外存储空间；jtag串口和rs232串口用于实现控制fpga和上位机的通讯；电源模块与控制fpga、板载sdram和板载flash相连，为其提供电源。
[0052]
优选地，多阈值sram封装标准件还经采样电阻和电流传感器与程控电源直供系统相连，其中，程控电源直供系统用于为多阈值sram封装标准件提供所需的电源，电流控制器与采样电阻配合使用完成对多阈值sram封装标准件端口实际电流数值采样。
[0053]
优选地，如图2所示，为典型电子元器件单粒子翻转截面σ随辐照重离子let的变化趋势。由图2可以得出，当重离子let值增大到电子元器件的饱和截面区后，电子元器件的单粒子翻转截面σ将基本不再变化，因此单粒子翻转截面曲线中可用于标定let值的有效区段为单粒子翻转截面σ的上升区。根据上升区不同重离子let值对应于不同单粒子翻转截面σ的关系，进而可以通过重离子辐照单粒子效应实验快速标定重离子的let值。但是，对于某一特定工艺节点的电子元器件，其上升区的let覆盖区段是有限的，无法完全覆盖常用的重离子辐照测试let值范围1mev
·
cm2/mg～75mev
·
cm2/mg。
[0054]
如图3所示，本实施例中多阈值sram封装标准件采用基于不同节点的soi工艺抗辐射加固sram模块为基本单元。
[0055]
这是由于，因为soi工艺埋氧化层(box)的存在在物理上将沟道区与衬底区隔离开来，进而消除了寄生可控硅结构免疫与单粒子锁定效应。其次，soi的敏感电荷收集区较小，因此具有较高的抗重离子辐射单粒子翻转性能，是较为理想的抗辐射加固器件制备工艺。
[0056]
优选地，多阈值sram封装标准件为采用封装技术将多个单粒子翻转let
th
阈值的sram模块均匀封装在一个模具内而成，且模具内各个sram模块之间的间隙尽量控制在最小，使得多阈值sram封装器件的测量死区占比最小。
[0057]
优选地，多阈值sram封装标准件中，所有sram模块的单粒子翻转let
th
阈值组合后使得多阈值sram封装标准件的单粒子界面有效上升区能够覆盖1mev
·
cm2/mg～75mev
·
cm2/mg，以实现宽范围let值测量。
[0058]
优选地，多阈值sram封装标准件为物理尺寸为2cm
×
2cm及以上的大面积芯片。
[0059]
选择sram模块作为标定重离子let值测试标准件的重要技术原因是，sram器件的
存储阵列结构简单且单个cell的物理尺寸在3μm及以下，因此采用sram模块作为标定离子let值的测试标准件具有离子位置分辨精度高(微米级)、测试标准件的几何物理尺寸大(厘米级)、时间响应精度高(次微秒量级)、注量率探测范围大(1～108p/cm2·
s)等显著的技术优势。因此基于多阈值sram封装标准件，不仅能实现快速标定重离子let值的基本功能，还兼具重离子超大注量率(108p/cm2·
s及以上)和重离子大束斑均匀度快速测量的技术优势。
[0060]
实施例2
[0061]
本实施例提供一种宽范围let值测量标定方法，包括以下步骤：
[0062]
1)基于多阈值、多工艺节点sram器件的封装技术，制备用于对宽范围let值测量的多阈值sram封装标准件。
[0063]
2)利用地面重离子加速器实验，建立基于多阈值sram封装标准件的单粒子效应截面数据库。
[0064]
如图4所示，采用地面重离子加速器实验，建立基于多阈值sram封装标准件的单粒子效应截面数据库的方法，包括以下步骤：
[0065]
2.1)在室温25℃环境下，运行上位机并对单粒子翻转测试标准件电路板上电检验待测标准件的宏观直流电参数和读写功能的正常；
[0066]
2.2)在不加任何降能片条件下，由目标重离子的let值范围1mev
·
cm2/mg～75mev
·
cm2/mg(射程为60μm)计算确定相应的重离子种类及参数；
[0067]
2.3)对待测多阈值sram封装标准件初始化，通过测试系统写入待测数据图形码后开始重离子辐照；
[0068]
2.4)重离子辐照期间，测试系统不断的循环读取存储阵列的数据并与待测数据图形码实时比对，当发现数据翻转事件后测试系统会自动记录相应的错误地址和数据等信息，单粒子翻转错误加1并通过rs232串口将总错误数发回到上位机显示。
[0069]
此外，为了保证实验数据具有较好的统计性，应确保每次测试监测到的事件数大于300个或重离子累积注量达到1
×
107p/cm2。
[0070]
2.5)改变重离子种类及参数，设置下一个测试let，重复步骤2.3)-2.4)，获得多阈值sram封装标准件的完整单粒子翻转截面曲线标定数据库，let覆盖范围1mev
·
cm2/mg～75mev
·
cm2/mg。
[0071]
3)根据不同重离子辐照参数条件下和目标空间轨道辐射条件下多阈值sram封装单粒子翻转效应测试标准件的翻转截面，在步骤2)中得到的单粒子效应截面数据库中进行查找，即可得到不同重离子辐照参数和目标空间轨道下的表面let0和等效let值。
[0072]
实施例3
[0073]
本实施例对本发明做进一步介绍。
[0074]
如图5所示，本实施例模拟计算了经过特殊加固设计的22nm、45nm、90nm、180nm抗辐射加固设计的soi sram存储器的单粒子翻转截面随离子let值得变化趋势。从计算结果可以明显得出，22nm soi加固sram的单粒子翻转截面的上升区let覆盖范围为1mev
·
cm2/mg～10mev
·
cm2/mg，45nm soi加固sram的单粒子翻转截面的上升区let覆盖范围为10mev
·
cm2/mg～30mev
·
cm2/mg，90nm soi加固sram的单粒子翻转截面的上升区let覆盖范围为25mev
·
cm2/mg～60mev
·
cm2/mg，180nm soi加固sram的单粒子翻转截面的上升区let覆盖范围为45mev
·
cm2/mg～80mev
·
cm2/mg。因此，通过将四种工艺节点的抗辐射加固sram
存储模块封装在一个模具内组合而成的标准件的单粒子翻转截面上升区let有效覆盖范围可扩展至1mev
·
cm2/mg～80mev
·
cm2/mg。
[0075]
如图6所示，本实施例选择单粒子翻转let
th
阈值分别为10mev
·
cm2/mg、35mev
·
cm2/mg、55mev
·
cm2/mg、75mev
·
cm2/mg的四款抗辐射加固sram存储模块，采用封装技术将四个sram模块封装在一个模具内，进而组合实现一种有效的多阈值sram封装标准件。基于该多阈值sram封装标准件，实现了let值1mev
·
cm2/mg～80mev
·
cm2/mg的宽量程测量，可广泛应用于不同重离子加速器装置的不同种类重离子let值的快速测量，对提高重离子辐照单粒子效应实验数据的可靠性与准确性提供了关键技术支撑。
[0076]
如图7所示，基于重离子加速器辐照测试实验标定多阈值sram封装标准件的单粒子翻转截面数据图。在室温25℃环境下，首先运行系统软件并对测试系统上电检验多阈值sram封装标准件的宏观直流电参数和读写功能的正常；其次，由目标重离子的let值范围1mev
·
cm2/mg～75mev
·
cm2/mg计算确定相应的重离子种类及参数；待测标准件初始化，通过测试系统写入待测数据图形码后开始重离子辐照；重离子辐照期间，待测系统不断的循环读取存储阵列的数据并与预设数据图形码实时比对，当发现数据翻转事件后测试系统会自动记录相应的错误地址和数据等信息，单粒子翻转错误加1并通过串口将总错误数发回到上位计算机控制软件显示。此外为了保证实验数据具有较好的统计性，应确保每个实验点监测到的事件数大于300个或重离子总注量达到1
×
107p/cm2方可停止辐照实验。重复以上实验步骤，最后获得多阈值sram封装标准件的完整单粒子翻转截面曲线标定数据库，如图8所示。基于此数据库，根据不同重离子辐照参数下的多阈值sram封装标准件翻转截面以及目标轨道运行实测翻转截面，可快速完成不同重离子辐照参数和目标空间轨道下的表面let0和等效let值的标定，提高了宇航元器件地面试验数据的可靠性以及空间错误率评估结果的准确性。
[0077]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。