大规模集成电路抗辐射性能无损筛选方法（一）

　　摘 要： 空间辐射环境会对电子器件产生辐射损伤。由于商用器件性能普遍优于抗辐射加固器件，所以从商用器件中筛选出抗辐射性能优异的器件将在一定程度上提高空间电子系统的可靠性。结合数学回归分析与物理应力实验的方法，研究了集成电路抗辐射性能无损筛选技术。通过不同的外界能量注入及总剂量辐照实验，探究电路典型参数的应变情况与电路耐辐射性能的关系，并确定其辐射敏感参数；建立预测电路抗辐射性能的多元线性回归方程，并对应力条件下的回归方程进行辐照实验验证。结果显示，物理应力实验与数学回归分析结合的筛选方法减小了实验值与预测值的偏差，提高了预估方程的拟合优度和显着程度，使预估方程处于置信区间。

　　目前，大量电子元器件应用于航天电子系统，然而空间辐射环境会对电子元器件产生辐射损伤，给航天电子系统带来风险。虽然使用抗辐射加固电子元器件可以有效提高系统安全性及稳定性，但由于抗辐射加固的集成电路研制周期很长，成本很高，且微电子技术发展迅速，使得加固集成电路的性能比当前主流技术落后二代以上。因此从性能先进的商用大规模集成电路中筛选出抗辐射性能好的器件，对提高处于辐射环境中电子系统的安全性及稳定性具有重要的意义。目前国内外主要有两种筛选方法，一种是通过向器件内部注入物理应力筛选出性能表现较好的器件。A.E.Saari,M.Catelani等人通过物理应力实验的方法，研究了物理应力对器件的筛选性能，但是研究中多针对产品的成品率、实验成本等方面的内容，并没有给出预估结果；另一种是通过数学统计的方法。根据线性回归方程预测器件的性能，从而达到筛选的目的。Michael R.Cooper等人基于应力实验，通过统计的方法对器件筛选进行了相关研究，但是研究对象着重是各种应力实验的效果比对，并未从器件具体参数上给出筛选的结果，不能达到预估的效果。综合目前主流筛选方法可以发现，物理应力实验的方法是建立在器件辐射损伤的物理基础上，具有较高的准确性，但能量注入的方式、多少，将带来器件损伤程度与信息有效性的矛盾；数学统计的方法可以得到统计的结果，但此种方法是建立在数学统计基础上的，缺少物理基础的支持。就目前的筛选方法来看，筛选实验无法保证筛选过程是无损筛选，并且不能对器件的性能进行准确预估，无法达到筛选的目的。鉴于以上情况，本文采用商用Intel 80C196KB单片机为研究对象，将两种方法结合，得出预估方程，预测器件的抗辐射性能。

　　1 实验方法

　　将物理应力实验与多元线性回归相结合，研究了单片机抗辐射性能的无损筛选方法。首先，根据应力实验前的初始数据与总剂量辐照后选择的辐照性能参数（表征器件辐射性能的信息参数）选择出辐照信息参数（与辐照性能参数相关性较强的普通信息参数）n1,n2,n3,n4,n5,然后线性拟合得到初始回归方程f（n）；再根据应力实验后的实验数据与总剂量辐照后选择的辐照性能参数选择出辐照信息参数m1,m2,m3,m4,m5,这些信息参数与应力实验前选择出的辐照信息参数可能并不相同，分析m1,m2,m3,m4,m5在应力实验前后的变化，并根据m1,m2,m3,m4,m5与辐照性能参数线性拟合出回归方程h（m），分析应力前后回归方程的准确性及可靠性。

　　1.1 物理应力实验

　　工业上主要采取的筛选方法主要包括功率老化、温度循环、随机振动及温度冲击等。通过调研发现，温度循环在加速器件寿命老化方面作用显着，而功率老化则主要检测器件及电路内部缺陷。鉴于无损筛选方法的实验目的及意义，应力实验分别选择功率老化和温度循环。功率老化应力是对器件施加恒定温度和恒定电压两种应力，使器件处于静态工作状态，以温度应力和电应力的综合作用加速电路的早期失效。依据器件手册中-55℃~125℃，4.5V~5.5V的工作范围，首先保持器件温度为125℃，加偏压+4.5V,保持24h,测量参数；然后保持温度125℃不变，偏压以步长0.5V增长，各保持24h,测量参数，直到参数产生离散为止，如果达到器件极限工作条件时，参数还没有产生离散，则停止施加应力。

　　温度循环应力是控制器件温度在高温120℃、低温-50℃之间转换，转换前每种温度各保持2h,高低温之间的转换在0.5h内完成，保持温度循环进行24h,测量参数，观察器件参数是否产生离散，如果离散情况并不明显，则高温以5℃的步长增加，低温以-5℃的步长减小，继续各保持24h,测量参数。如果温度达到器件极限工作温度，参数仍未产生离散，则停止实验。

　　每个应力实验样品各32个，应力实验前测试初始数据，应力实验后检测数据分布的离散性，然后进行辐照实验，测试辐射后样品数据，挑选出辐射性能参数及辐射信息参数。分别利用1~24号样品初始数据及应力实验后数据拟合得到多元线性回归方程，通过25~32号样品的数据检验回归方程的准确性及可靠性。

　　1.2 多元线性回归

　　所谓多元线性回归方程是指影响因变量Y 的自变量往往不止一个，可能有m 个，即有X1,X2,…，Xm,每个自变量都对Y 有影响。多元线性回归方程的一般形式为

　　Yi =b0+b1Xi1+b2Xi2+…+bmXim, i=1,2,…，n

　　式中：Yi是第i次实验中因变量的实验值，即器件的辐照性能参数，b0,b1,…，bm是回归系数；Xi1,Xi2,…，Xim是第i次实验中辐照信息参数的实验值；n为随机抽取的样本数（即实验的样本数）；m 为初选的辐照信息参数的个数。

　　通过摸底实验，发现80C196能承受的剂量为10~11krad（Si），因此确定辐照实验的总剂量为10krad（Si），选择剂量率为50rad（Si）/s.

　　以往的研究发现，静态功耗电流是大规模集成电路抗辐射性能的敏感参数，辐照前后静态功耗电流发生明显变化。将辐照前后器件参数进行对比，发现电路的静态低功耗电流-待机电流Idd-idl变化明显，故选择辐照性能参数为Idd-idl.

　　选择辐照信息参数，即器件89个初始参数中对辐照后的辐照性能参数有显着作用的初始参数，需要求各个初始信息参数对辐照性能参数的单相关性rj.从其中选择相关系数的5个参数作为辐照信息参数。

 

 

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