在現(xiàn)代電子技術領域，隨著集成電路的不斷發(fā)展和應用范圍的日益擴大，其在復雜環(huán)境下的可靠性問題愈發(fā)受到關注。單粒子效應（Single Event Effect, SEE）是影響微電子器件在輻射環(huán)境中可靠性的重要因素之一。為了評估芯片在輻射環(huán)境中的抗單粒子效應能力，皮秒脈沖激光技術作為一種先進的模擬手段被廣泛應用。本文將以 AS32S601 型 MCU 的單粒子效應評估為例，詳細介紹皮秒脈沖激光技術在該領域的應用。

一、單粒子效應概述

單粒子效應是指高能粒子（如質(zhì)子、重離子等）在穿過半導體器件時，與器件內(nèi)部的原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生大量電離電子-空穴對，從而引發(fā)器件性能異常的現(xiàn)象。根據(jù)效應的類型和嚴重程度，單粒子效應可以分為單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset, SEU）、單粒子鎖定（Single Event Latch-up, SEL）、單粒子燒毀（Single Event Burnout, SEB）等多種形式。其中，SEU 是指高能粒子撞擊導致器件內(nèi)部存儲單元或邏輯狀態(tài)發(fā)生改變的現(xiàn)象，而 SEL 則是指高能粒子撞擊引發(fā)器件內(nèi)部寄生晶體管導通，導致器件電流急劇增加，可能造成器件損壞的現(xiàn)象。

二、皮秒脈沖激光技術簡介

皮秒脈沖激光技術是一種利用超短脈沖激光來模擬高能粒子與半導體器件相互作用的技術。皮秒脈沖激光具有脈沖寬度極短（通常在皮秒量級，1皮秒=10?12秒）、能量集中、可精確控制等優(yōu)點。通過調(diào)整激光的參數(shù)（如脈沖能量、脈沖寬度、光斑尺寸等），可以模擬不同能量和LET（Linear Energy Transfer，線性能量傳輸）的高能粒子對半導體器件的作用。與傳統(tǒng)的輻射試驗方法相比，皮秒脈沖激光技術具有試驗條件易于控制、重復性好、試驗周期短等優(yōu)點，能夠有效地評估半導體器件在輻射環(huán)境下的抗單粒子效應能力。

三、AS32S601型MCU簡介

AS32S601是一款基于32位RISC-V指令集的MCU產(chǎn)品，具有豐富的Flash容量、支持ASIL-B等級的功能安全ISO26262，同時具備高安全、低失效、多IO、低成本等特點。其工作頻率高達180MHz，工作輸入電壓支持2.7V~5.5V，休眠電流低至200uA（可喚醒），典型工作電流為50mA。該芯片還符合AEC-Q100 grade1認證標準（汽車級），具備較強的抗輻射能力，適用于工業(yè)、汽車以及商業(yè)航天等領域。在單粒子效應方面，AS32S601的設計目標是達到SEU≥75MeV·cm2/mg或10??次/器件·天（企業(yè)宇航級）、SEL≥75MeV·cm2/mg（企業(yè)宇航級）的水平。

四、皮秒脈沖激光試驗裝置與方法

（一）試驗裝置

本次試驗在中關村B481的脈沖激光單粒子效應實驗室進行，試驗裝置包括皮秒脈沖激光單粒子效應裝置、直流電源、電控平移臺等儀器設備。皮秒脈沖激光單粒子效應裝置由皮秒脈沖激光器、光路調(diào)節(jié)和聚焦設備、三維移動臺、CCD攝像機和控制計算機等組成。試驗裝置原理如下：

焊接試驗樣品的試驗電路板固定于三維移動臺上，三維移動臺的位置和移動方式由控制計算機編程控制；脈沖激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)過相應光路調(diào)節(jié)和物鏡聚焦后輻照試驗樣品；試驗樣品表面和激光光斑可由CCD相機成像在控制計算機顯示；試驗樣品由直流電源供電并實時監(jiān)測配套電路輸出變化。

（二）試驗方法

1. 掃描方法

試驗前將試驗電路板固定于三維移動臺上，一般使樣片的長 a 對應 CCD 成像的 Y 軸，寬 b 對應 CCD 成像的 X 軸，樣品 CCD 成像的左下角作為坐標軸原點，即掃描起點。試驗時為使激光覆蓋掃描試驗樣品，設定三維移動臺按如下順序作周期移動，共移動 b/10 個周期：（1）沿 -Y 軸移動距離（a+50）μm；（2）沿 -X 軸移動 5μm（X 軸步長）；（3）沿 +Y 軸移動距離（a+50）μm；（4）沿 -X 軸移動 5μm。激光相對三維移動臺作反方向運動，相對掃描方式如圖1所示。

2. 激光注量

激光注量若定為 1×10?cm2，即單個激光的 X 軸和 Y 軸步長都為 3μm，其中 X 軸步長為直接設定。三維移動臺沿 Y 軸是勻速移動，Y 軸步長由激光頻率和三維移動臺移動速度決定，設定激光頻率為 1000Hz，三維移動臺移動速度為 10000μm/s，則Y軸步長滿足3μm要求。其他注量與步長按此算法推算。光注量相關參數(shù)如表1所示。

3.激光能量

根據(jù)激光能量與重離子LET值對應關系計算得到掃描初始激光能量設定為120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg），最高采用的能量為1830pJ（對應LET值為（75±18.75）MeV·cm2/mg）。如采用激光有效能量為對應LET值=5MeV·cm2/mg時芯片不發(fā)生鎖定，則增大激光能量（也即增大對應的LET值）。

4.單粒子效應判定及處理方法

當試驗樣品工作狀態(tài)出現(xiàn)異常（超過正常芯片工作電流的1.5倍），認為發(fā)生單粒子鎖定效應（SEL）。發(fā)生單粒子效應時，試驗人員手動給測試電路斷電，同時關閉激光快門，停止三維移動臺的掃描程序。

五、試驗過程與結果分析

（一）試驗過程

以其中一款器件為例說明試驗步驟，其他芯片試驗步驟仿照此過程進行。具體步驟如下：

打開皮秒脈沖激光器，設定激光脈沖頻率為1000Hz，激光器穩(wěn)定運行。

將激光聚焦到器件正面，測得器件長a寬b，通過移動三維移動臺使激光光斑定位到試驗器件顯微成像的右下角，并作為掃描原點。

試驗器件加電，記錄工作電壓。

設定初始激光能量為120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg），設定三維移動臺按照表1中所述周期移動，使激光以1×10?cm2注量覆蓋掃描試驗器件，如果未出現(xiàn)單粒子效應，則按照初始設定能量繼續(xù)增大能量并掃描器件，直至出現(xiàn)單粒子效應。

拆除電路板，更換測試芯片，重復（2）-（5）試驗過程。

關閉激光器，試驗結束。

（二）結果分析

AS32S601型MCU在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對應LET值為5MeV·cm2/mg）開始進行全芯片掃描，未出現(xiàn)單粒子效應。當激光能量提升至1585pJ（對應LET值為75MeV·cm2/mg）時，監(jiān)測到芯片發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象。

六、皮秒脈沖激光技術的優(yōu)勢與局限性

（一）優(yōu)勢

精確模擬 ：皮秒脈沖激光技術能夠精確模擬高能粒子與半導體器件相互作用的過程，通過調(diào)整激光參數(shù)，可以模擬不同能量和LET的高能粒子，為單粒子效應的研究提供了有力的工具。

試驗條件易于控制 ：與傳統(tǒng)的輻射試驗方法相比，皮秒脈沖激光試驗的條件易于控制，如激光能量、脈沖寬度、光斑尺寸等參數(shù)都可以通過儀器設備進行精確調(diào)節(jié)，從而保證試驗的重復性和可靠性。

試驗周期短 ：傳統(tǒng)的輻射試驗通常需要較長的時間來完成，而皮秒脈沖激光試驗可以在較短的時間內(nèi)完成對芯片的單粒子效應評估，大大提高了試驗效率。

安全性高 ：在皮秒脈沖激光試驗過程中，試驗人員可以通過控制計算機進行遠程操作，避免了直接接觸高能粒子源，提高了試驗的安全性。

（二）局限性

成本較高 ：皮秒脈沖激光設備價格昂貴，且需要專業(yè)的技術人員進行操作和維護，這在一定程度上限制了其廣泛應用。

模擬范圍有限 ：雖然皮秒脈沖激光技術能夠模擬多種高能粒子的作用，但對于一些特殊類型的單粒子效應（如單粒子燒毀等）的模擬效果可能不夠理想，需要結合其他試驗方法進行綜合評估。

對樣品要求高 ：試驗樣品需要進行特殊的處理，如開封裝處理等，以使樣品正面金屬管芯表面完全暴露，這可能會對樣品造成一定的損傷，影響試驗結果的準確性。

七、結論與展望

皮秒脈沖激光技術在AS32S601型MCU的單粒子效應評估中發(fā)揮了重要作用，通過精確控制激光參數(shù)，能夠有效地模擬高能粒子對芯片的作用，為芯片的抗單粒子效應能力評估提供了有力的支持。試驗結果表明，AS32S601型MCU具備較好的抗單粒子效應能力，能夠滿足企業(yè)宇航級的要求。然而，皮秒脈沖激光技術也存在一定的局限性，如成本較高、模擬范圍有限等。未來，隨著技術的不斷發(fā)展和改進，皮秒脈沖激光技術有望在單粒子效應評估領域發(fā)揮更大的作用，為電子器件的可靠性研究提供更加準確和高效的方法。

審核編輯 黃宇