大咖干貨 | 集成電路的軟錯誤率（SER）的發(fā)生與評估 輻射檢測

我們的生活空間充滿了各種各樣的電離輻射，看不見也摸不著。

這些電離輻射可能來自于宇宙中的高能宇宙射線，也可能來自我們周邊各種物質元素同位素產(chǎn)生的電離粒子。當我們攤開手掌時，每秒鐘大約有一個大氣中子穿過我們的手心。

其實電離輻射并不可怕，低劑量的輻射對人類健康并不構成威脅，人體的自我修復功能足以應付。但是對于自我修復能力沒那么強的電子元器件，這種低劑量的電離輻射就會產(chǎn)生較大的影響了。

問題1   什么是電離輻射，他們會對電子元器件產(chǎn)生哪些影響？

所謂的電離輻射，是指高能粒子，如電子、質子、中子、α粒子，在穿越物質過程中與物質發(fā)生交互作用，高能粒子通過各種物理作用將能力耗散，這些耗散的一部分能量足以引發(fā)被作用物質發(fā)生電離，產(chǎn)生電子-空穴對。

對于元器件而言，比如常見的MOS結構，MOS結構耗盡區(qū)的電場會驅使電子-空穴分離，形成一種電荷收集的效應，表象上在漏極形成一個電流脈沖，當收集過程超過“臨界電荷"，就會引發(fā)MOS高低電平的轉換。

對于邏輯或存儲電路而言，這種電平轉換即表現(xiàn)為“0"到“1"或“1"到“0"的變化，稱這種現(xiàn)象為“單粒子翻轉（SEU）"。

單粒子翻轉可以發(fā)生在一個電路單元，也可以由于電荷共享，造成臨近物理地址的單元同時發(fā)生翻轉，這種現(xiàn)象又稱為“多位翻轉（MBU）" 。

單粒子翻轉會引起電路的邏輯或存儲錯誤，但是這種錯誤往往可以通過電路的刷新而得到恢復，稱這種現(xiàn)象為軟錯誤（Soft Error），一定時間內產(chǎn)生多少這種軟錯誤稱為軟錯誤率（SER）。

但如果電離過程過于劇烈或者電荷收集電場過于強大，引發(fā)的收集過程的電流過大就會對電路單元產(chǎn)生不可挽回的損傷（過電損傷），這種現(xiàn)象為硬錯誤（Hard Error），包括閂鎖、柵穿、燒毀等，這些現(xiàn)象在宇航空間中偶發(fā)出現(xiàn)，而在地球大氣以下的空間，往往出現(xiàn)在特殊的功率器件中，比如IGBT。

問題2   為什么航空和汽車要做軟錯誤率評估？

對于地面或近地空間，α粒子和大氣中子分別是半導體集成電路面臨的主要輻射源，前者來自器件內部，后者來自器件外部的大氣環(huán)境。

半導體器件的各種制造和封裝材料(模塑料、焊球、底部填充膠等)中含有少量的的同位素，這些同位素釋放出α粒子（氦核），具有較強的電離能力，但是其穿透能力較弱，在Si中的穿透力有限約為幾十μm。

大氣中子是來自宇宙空間的高能粒子射線轟擊地球上空的中性大氣，誘發(fā)產(chǎn)生的中子，其特點具有非常寬的能量范圍，而且中子的穿透能力強。

無論是哪種粒子，它們都是廣泛地存在于現(xiàn)實生活中的，因此不可避免地會造成具有邏輯或存儲功能的集成電路出現(xiàn)軟錯誤，而這種軟錯誤的隨機性會造成器件功能錯誤，傳遞給整個電子系統(tǒng)，進而可能引發(fā)電子系統(tǒng)故障，甚至電子系統(tǒng)失效。特別是對功能安全相關的電子系統(tǒng)而言，這種輻射帶來的集成電路軟錯誤的影響尤為明顯，會直接威脅到這個電子系統(tǒng)的安全運行。

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大氣中子的產(chǎn)生

在高可靠性和強安全依賴性的電子設備應用領域，控制芯片，存儲芯片等復雜集成電路，受α粒子和大氣中子輻射產(chǎn)生的軟錯誤及軟錯誤率是必要的考核項目。

如在航空領域IEC 62396《航空電子設備過程管理-大氣輻射效應》詳細論述了大氣中子誘發(fā)單粒子效應對元器件、設備、系統(tǒng)的影響和應對策略，并且大氣中子單粒子效應也納入了DO254的基礎程序與認證方法的重點考慮因素。

在地面交通領域，ISO26262將α粒子和大氣中子誘發(fā)集成電路軟錯誤作為系統(tǒng)安全的重要基礎數(shù)據(jù)來源。汽車電子認證標準AEC-Q100將集成電路（具有大于1MB SRAM或DRAM）在α粒子和大氣中子下的軟錯誤率作為單獨認證項目。

問題3   軟錯誤率實驗如何實現(xiàn)的，需要具備哪些條件？

軟錯誤率實驗目前主要采用加速實驗輻射方式完成對集成電路地面單粒子軟錯誤的實驗。

加速實驗即采用單位時間內粒子放射量（通量）高于真實情況數(shù)倍的放射源，對待測器件進行輻照實驗，得到累積軟錯誤數(shù)據(jù)后，再通過與實際情況比例系數(shù)反推至真實情況下的軟錯誤率。

目前α粒子輻射源主要采用同位素源，而大氣中子一般采用散列中子源進行加速實驗。

實驗過程中除了要擁有必要的輻射源，還需要考慮其他因素對實驗的影響，原則上需充分暴露樣品的敏感區(qū)，并減少其他因素的影響：如針對α粒子實驗而言，其在Si中穿透深度有限，需要讓輻射源充分地貼近器件的輻射敏感區(qū)（存儲區(qū)），因此實際實驗時需要采用定點開封，以暴露出這些敏感區(qū)，而如果器件采用了FLIP-CHIP方式的封裝，則可能無法進行α粒子實驗。

進行集成電路軟錯誤率實驗時，需要：

1.保證器件可以持續(xù)工作。

2.通過監(jiān)測手段獲得器件存儲區(qū)的實時數(shù)據(jù)。

3.能夠與預期數(shù)據(jù)進行實時比對，確定錯誤數(shù)據(jù)。

4.需要能夠檢測到錯誤數(shù)據(jù)的實際物理地址，這主要是為了統(tǒng)計實驗過程中出現(xiàn)的多位翻轉情況。

α粒子實驗過程

廣電計量的服務

廣電計量作為專業(yè)第三方測試平臺，在集成電路軟錯誤率評估方面具備的技術開發(fā)團隊，為集成電路產(chǎn)品提供包括AEC-Q100，ISO26262，IEC62396等的相關標準規(guī)定的集成電路軟錯誤率評估實驗提供技術咨詢和技術服務，包括測試方案設計與優(yōu)化，測試系統(tǒng)軟硬件開發(fā)，輻射實驗實施，數(shù)據(jù)收集與分析。為集成電路產(chǎn)品的檢測認證，功能安全評估提供技術支持和保障。

專家簡介

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專家簡介

岳龍，博士學歷，高級工程師，電子元器件質量可靠性專業(yè)，從事電子元器件篩選及可靠性測試與評價技術研究，電子元器件空間環(huán)境，輻射環(huán)境的服役行為表征及實驗技術研究，電子元器件失效分析技術研究，電子元器件加速壽命實驗理論及測試技術研究，元器件裝聯(lián)工藝質量評價技術研究，元器件國產(chǎn)化驗證技術研究。

熟悉電子元器件性能及可靠性評價方法，在可靠性驗證方面具備豐富經(jīng)驗，作為專家支撐國產(chǎn)化元器件驗證工程，元器件鑒定及質量歸零。主持或參與科研課題5項，省市級科研課題5項，發(fā)表SCI及核心期刊論文17篇，發(fā)明7項，譯著1本。

關于廣電計量半導體服務

廣電計量在全國設有元器件篩選及失效分析實驗室，形成了以博士、專家為首的技術團隊，構建了元器件國產(chǎn)化驗證與競品分析、集成電路測試與工藝評價、半導體功率器件質量提升工程、車規(guī)級芯片與元器件AEC-Q認證、車規(guī)功率模塊AQG324認證等多個技術服務平臺、滿足裝備制造、航空航天、汽車、軌道交通、5G通信、光電器件與傳感器等領域的電子產(chǎn)品質量與可靠性的需求。

我們的服務優(yōu)勢

●配合牽頭“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務平臺建設項目"“面向制造業(yè)的傳感器等關鍵元器件創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務平臺"等多個項目；

●在集成電路及SiC領域是技術能力的第三方檢測機構之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個型號的芯片驗證；

●在車規(guī)領域擁有AEC-Q及AQG324服務能力，獲得了近50家車廠的認可，出具近300份AEC-Q及AQG324報告，助力100多款車規(guī)元器件量產(chǎn)。