大气中子单粒子效应对微电子器件的影响

本文对中子单粒子效应的产生条件、中子单粒子效应对微电子器件的影响以及对此影响的量化分析过程进行了阐述。主要通过分析结果，给出微电子器件受中子单粒子效应影响的薄弱环节，同时给出设计改进措施，通过改进措施提高电路设计水平，保证微电子器件在使用过程中的可靠性。

【关键词】大气中子 单粒子效应 单粒子翻转

1 中子单粒子效应对微电子器件产生影响的条件

大气中子单粒子效应，是指大气中子（主要是银河宇宙射线、太阳宇宙射线同地球外围浓密大气层中的氧、氮等发生核反应生成的次级粒子）入射微电子器件（如CPU、DSP、FPGA、存储器、总线控制器等）时，引起器件产生逻辑反转（从逻辑“1”变成逻辑“0”或相反）、闩锁或永久损伤的现象。

2 中子单粒子效应对微电子器件产生影响的后果

研究表明，微电子器件是大气中子单粒子效应敏感器件，复杂航电系统会大量使用此类单粒子效应敏感器件。巡航高度下，大气中子辐射环境会使CPU、DSP、FPGA、存储器、总线控制器等带有存储结构的复杂航空电子系统法发生单粒子效应，引起系统出现数据异常、丢帧、黑屏、复位及死机等故障现象，使复杂航空电子系统可靠性指标降低一至几个数量级。

3 中子单粒子效应对微电子器件产生影响的量化分析

中子单粒子效应对微电子器件的影响可以通过预计来进行量化分析。

3.1 通用参数

（1）任务剖面中子注量率：5450/（cm2·h）；

（2）器件中子单粒子效应截面：历史数据，或根据工艺推导。

3.2 采集信息

3.2.1 器件敏感特性分析

大气中子单粒子效应主要包括单粒子翻转、单粒子多位翻转、单粒子功能终止、单粒子瞬态、单粒子闩锁、单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子硬错误等，各器件因工艺结构不同对其中一种或几种效应敏感。

3.2.2 敏感器件单粒子效应截面（δdevice （cm2/device））获取

微电子器件的敏感器件主要是DSP、FPGA、CPLD等器件，主要与其工艺结构、存储容量等信息相关。通过各辐射数据库检索及工艺推导相结合，得出各敏感器件中子单粒子效应截面数据。

3.2.3 敏感器件单粒子效应率计算模型

查询结果表明，敏感器件主要单粒子效应是单粒子翻转，因此单粒子效应率的计算仅针对单粒子翻转，计算公式如下：

SEErate-i=Flux×σdevice-i

SEErate—敏感器件单粒子翻转率；

SEErate-i—第i个模块中子单粒子翻转率；

σdevice-i—第i个模块中子单粒子翻转截面；

i=1，2，3…n；n为敏感器件的模块。

4 对中子单粒子效应的防护设计

4.1 一般原则

在满足功能、性能的条件下

（1）优先选用提供了单粒子敏感型数据且满足相关防护要求的器件；

（2）优先选用具有抗中子单粒子效应能力或中子单粒子效应较不敏感的器件，如优先考虑使用反熔丝FPGA、Flash FPGA、非易失性存储器等器件；

（3）优先选用一种或多种防护措施组合的方法实现消除或缓减单粒子效应的危害影响；

（4）重点针对敏感器件进行单粒子效应防护，同时应对模块进行单粒子效应防护设计；

（5）尽量减少设备中未防护的存储位数；

（6）针对关键核心器件，建议在设计中考虑单粒子效应事件的监测措施。

4.2 单粒子效应诱发的硬故障防护设计要求

微电子器件中子单粒子效应诱发的硬故障防护设计要求有以下几点：

（1）微电子器件应采用冗余备份措施；

（2）选用高压功率器件的微电子器件应采用冗余备份措施；

（3）选用功率MOSFET器件在条件允许的情况下，建议采用冗余备份措施。

（4）高压功率器件必须工作在270V以下。

4.3 单粒子效应诱发的软故障防护设计要求

微电子器件中子单粒子效应诱发的软故障防护设计中要求在以下措施中选取一种或几种组合的方法减缓中子单粒子效应引起的危害影响：

（1）冗余；

（2）刷新；

（3）表决；

（4）EDAC；

（5）软件技术；

（6）指令检测和重置。

对于选用微处理器，要求选取以下一种或几种组合的方法减缓微处理器中子单粒子翻转引起的危害影响：

（1）奇偶校验；

（2）高速缓存（Cache）刷新；

（3）执行双处理器配置；

（4）微处理器的双向IO端口，地址应进行定时刷新技术；

（5）应采取看门狗防止程序跑飞。

对于选用的SRAM型FPGA，要求选取以下一种或几种组合的方法来减缓SRAM型FPGA单粒子翻转引起的影响：

（1）三模冗余技术；

（2）刷新；

（3）对重要模块进行冗余；

（4）EDAC。

对于选用的存储器/寄存器，要求选取以下一种或几种组合的方法来减缓存储器/寄存器单粒子翻转引起的影响：

（1）SRAM、SDRAM、DRAM等易失性存储器应采取合适的EDAC措施减缓SEU的影响：

（2）驻留指令的存储器应采取双模或多模冗余设计措施；

（3）驻留FPGA、DSP、CPU等器件配置代码的非易失性寄存器应采取合适的EDAC技术减缓单粒子翻转效应的影响；

（4）驻留重要信息的寄存器应采取刷新设计；

（5）在条件允许的情况下，建议对重要数据的每个字中的每个bit位采取隔离的物理地址存储的方法。

5 小结

大气中子单粒子效应对微电子器件的可靠性存在一定的影響，微电子器件采用中子单粒子效应的防护设计后，可及早避免电路设计中由于单粒子翻转导致的硬故障和软故障的发生，及早进行设计改进措施，提高产品可靠性设计，保证产品质量。

参考文献

[1]IEC 62396-1航空电子设备过程管理——大气辐射效应第一部分：航空电子设备大气中子单粒子效应应对策略，2011.

[2]IEC/TC 62396-3航空电子设备过程管理——大气辐射效应第三部分：应对大气中子单粒子效应的系统优化设计，2011.

[3]IEC/TC 62396-5航空电子设备过程管理——大气辐射效应第五部分：热中子注量率与航空电子系统单粒子效应评估指南，2011.