大咖干货 | 集成电路的软错误率（SER）的发生与评估

广电计量 2022-12-12 2405

描述

我们的生活空间充满了各种各样的电离辐射，看不见也摸不着。

这些电离辐射可能来自于宇宙中的高能宇宙射线，也可能来自我们周边各种物质元素同位素产生的电离粒子。当我们摊开手掌时，每秒钟大约有一个大气中子穿过我们的手心。

其实电离辐射并不可怕，低剂量的辐射对人类健康并不构成威胁，人体的自我修复功能足以应付。但是对于自我修复能力没那么强的电子元器件，这种低剂量的电离辐射就会产生较大的影响了。

问题1 什么是电离辐射，他们会对电子元器件产生哪些影响？

所谓的电离辐射，是指高能粒子，如电子、质子、中子、α粒子，在穿越物质过程中与物质发生交互作用，高能粒子通过各种物理作用将能力耗散，这些耗散的一部分能量足以引发被作用物质发生电离，产生电子-空穴对。

对于元器件而言，比如常见的MOS结构，MOS结构耗尽区的电场会驱使电子-空穴分离，形成一种电荷收集的效应，表象上在漏极形成一个电流脉冲，当收集过程超过“临界电荷”，就会引发MOS高低电平的转换。

对于逻辑或存储电路而言，这种电平转换即表现为“0”到“1”或“1”到“0”的变化，称这种现象为“单粒子翻转（SEU）”。

单粒子翻转可以发生在一个电路单元，也可以由于电荷共享，造成临近物理地址的单元同时发生翻转，这种现象又称为“多位翻转（MBU）” 。

单粒子翻转会引起电路的逻辑或存储错误，但是这种错误往往可以通过电路的刷新而得到恢复，称这种现象为软错误（Soft Error），一定时间内产生多少这种软错误称为软错误率（SER）。

但如果电离过程过于剧烈或者电荷收集电场过于强大，引发的收集过程的电流过大就会对电路单元产生不可挽回的损伤（过电损伤），这种现象为硬错误（Hard Error），包括闩锁、栅穿、烧毁等，这些现象在宇航空间中偶发出现，而在地球大气以下的空间，往往出现在特殊的功率器件中，比如IGBT

辐射对器件的影响

问题2 为什么航空和汽车要做软错误率评估？

对于地面或近地空间，α粒子和大气中子分别是半导体集成电路面临的主要辐射源，前者来自器件内部，后者来自器件外部的大气环境。

半导体器件的各种制造和封装材料(模塑料、焊球、底部填充胶等)中含有少量的的同位素，这些同位素释放出α粒子（氦核），具有较强的电离能力，但是其穿透能力较弱，在Si中的穿透力有限约为几十μm。

大气中子是来自宇宙空间的高能粒子射线轰击地球上空的中性大气，诱发产生的中子，其特点具有非常宽的能量范围，而且中子的穿透能力极强。

无论是哪种粒子，它们都是广泛地存在于现实生活中的，因此不可避免地会造成具有逻辑或存储功能的集成电路出现软错误，而这种软错误的随机性会造成器件功能错误，传递给整个电子系统，进而可能引发电子系统故障，甚至电子系统失效。特别是对功能安全相关的电子系统而言，这种辐射带来的集成电路软错误的影响尤为明显，会直接威胁到这个电子系统的安全运行。

在高可靠性和强安全依赖性的电子设备应用领域，控制芯片，存储芯片等复杂集成电路，受α粒子和大气中子辐射产生的软错误及软错误率是必要的考核项目。

如在航空领域IEC 62396《航空电子设备过程管理-大气辐射效应》详细论述了大气中子诱发单粒子效应对元器件、设备、系统的影响和应对策略，并且大气中子单粒子效应也纳入了DO254的基础程序与认证方法的重点考虑因素。

在地面交通领域，ISO26262将α粒子和大气中子诱发集成电路软错误作为系统安全的重要基础数据来源。汽车电子认证标准AEC-Q100将集成电路（具有大于1MB SRAM或DRAM）在α粒子和大气中子下的软错误率作为单独认证项目。

问题3 软错误率实验如何实现的，需要具备哪些条件？

软错误率实验目前主要采用加速实验辐射方式完成对集成电路地面单粒子软错误的实验。

加速实验即采用单位时间内粒子放射量（通量）高于真实情况数倍的放射源，对待测器件进行辐照实验，得到累积软错误数据后，再通过与实际情况比例系数反推至真实情况下的软错误率。

目前α粒子辐射源主要采用同位素源，而大气中子一般采用散列中子源进行加速实验。

实验过程中除了要拥有必要的辐射源，还需要考虑其他因素对实验的影响，原则上需充分暴露样品的敏感区，并减少其他因素的影响：如针对α粒子实验而言，其在Si中穿透深度有限，需要让辐射源充分地贴近器件的辐射敏感区（存储区），因此实际实验时需要采用定点开封，以暴露出这些敏感区，而如果器件采用了FLIP-CHIP方式的封装，则可能无法进行α粒子实验。

进行集成电路软错误率实验时，需要：

1.保证器件可以持续工作。

2.通过监测手段获得器件存储区的实时数据。

3.能够与预期数据进行实时比对，确定错误数据。

4.需要能够检测到错误数据的实际物理地址，这主要是为了统计实验过程中出现的多位翻转情况。

α粒子实验过程

广电计量的服务

广电计量作为专业第三方测试平台，在集成电路软错误率评估方面具备资深的技术开发团队，为集成电路产品提供包括AEC-Q100，ISO26262，IEC62396等的相关标准规定的集成电路软错误率评估实验提供技术咨询和技术服务，包括测试方案设计与优化，测试系统软硬件开发，辐射实验实施，数据收集与分析。为集成电路产品的检测认证，功能安全评估提供技术支持和保障。

岳龙，博士学历，高级工程师，电子元器件质量可靠性专业，从事电子元器件筛选及可靠性测试与评价技术研究，电子元器件空间极端环境，辐射环境的服役行为表征及实验技术研究，电子元器件失效分析技术研究，电子元器件加速寿命实验理论及测试技术研究，元器件装联工艺质量评价技术研究，元器件国产化验证技术研究。

熟悉电子元器件性能及可靠性评价方法，在可靠性验证方面具备丰富经验，作为专家支撑国产化元器件验证工程，元器件鉴定及质量归零。主持或参与国家级科研课题5项，省市级科研课题5项，发表SCI及核心期刊论文17篇，授权发明专利7项，译著1本。

关于广电计量半导体服务

广电计量在全国设有元器件筛选及失效分析实验室，形成了以博士、专家为首的技术团队，构建了元器件国产化验证与竞品分析、集成电路测试与工艺评价、半导体功率器件质量提升工程、车规级芯片与元器件AEC-Q认证、车规功率模块AQG324认证等多个技术服务平台、满足装备制造、航空航天、汽车、轨道交通、5G通信、光电器件与传感器等领域的电子产品质量与可靠性的需求。

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