大咖干貨 | 集成電路的軟錯(cuò)誤率（SER）的發(fā)生與評(píng)估

我們的生活空間充滿(mǎn)了各種各樣的電離輻射，看不見(jiàn)也摸不著。

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

其實(shí)電離輻射并不可怕，低劑量的輻射對(duì)人類(lèi)健康并不構(gòu)成威脅，人體的自我修復(fù)功能足以應(yīng)付。但是對(duì)于自我修復(fù)能力沒(méi)那么強(qiáng)的電子元器件，這種低劑量的電離輻射就會(huì)產(chǎn)生較大的影響了。

問(wèn)題1 什么是電離輻射，他們會(huì)對(duì)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(zhì)子、中子、α粒子，在穿越物質(zhì)過(guò)程中與物質(zhì)發(fā)生交互作用，高能粒子通過(guò)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(zhì)發(fā)生電離，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。

對(duì)于元器件而言，比如常見(jiàn)的MOS結(jié)構(gòu)，MOS結(jié)構(gòu)耗盡區(qū)的電場(chǎng)會(huì)驅(qū)使電子-空穴分離，形成一種電荷收集的效應(yīng)，表象上在漏極形成一個(gè)電流脈沖，當(dāng)收集過(guò)程超過(guò)“臨界電荷”，就會(huì)引發(fā)MOS高低電平的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于邏輯或存儲(chǔ)電路而言，這種電平轉(zhuǎn)換即表現(xiàn)為“0”到“1”或“1”到“0”的變化，稱(chēng)這種現(xiàn)象為“單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）”。

單粒子翻轉(zhuǎn)可以發(fā)生在一個(gè)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(shí)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象又稱(chēng)為“多位翻轉(zhuǎn)（MBU）”。

單粒子翻轉(zhuǎn)會(huì)引起電路的邏輯或存儲(chǔ)錯(cuò)誤，但是這種錯(cuò)誤往往可以通過(guò)電路的刷新而得到恢復(fù)，稱(chēng)這種現(xiàn)象為軟錯(cuò)誤（Soft Error），一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生多少這種軟錯(cuò)誤稱(chēng)為軟錯(cuò)誤率（SER）。

但如果電離過(guò)程過(guò)于劇烈或者電荷收集電場(chǎng)過(guò)于強(qiáng)大，引發(fā)的收集過(guò)程的電流過(guò)大就會(huì)對(duì)電路單元產(chǎn)生不可挽回的損傷（過(guò)電損傷），這種現(xiàn)象為硬錯(cuò)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(wèn)題2 為什么航空和汽車(chē)要做軟錯(cuò)誤率評(píng)估？

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

半導(dǎo)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(qiáng)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(lái)自宇宙空間的高能粒子射線(xiàn)轟擊地球上空的中性大氣，誘發(fā)產(chǎn)生的中子，其特點(diǎn)具有非常寬的能量范圍，而且中子的穿透能力極強(qiáng)。

無(wú)論是哪種粒子，它們都是廣泛地存在于現(xiàn)實(shí)生活中的，因此不可避免地會(huì)造成具有邏輯或存儲(chǔ)功能的集成電路出現(xiàn)軟錯(cuò)誤，而這種軟錯(cuò)誤的隨機(jī)性會(huì)造成器件功能錯(cuò)誤，傳遞給整個(gè)電子系統(tǒng)，進(jìn)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(duì)功能安全相關(guān)的電子系統(tǒng)而言，這種輻射帶來(lái)的集成電路軟錯(cuò)誤的影響尤為明顯，會(huì)直接威脅到這個(gè)電子系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

在高可靠性和強(qiáng)安全依賴(lài)性的電子設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域，控制芯片，存儲(chǔ)芯片等復(fù)雜集成電路，受α粒子和大氣中子輻射產(chǎn)生的軟錯(cuò)誤及軟錯(cuò)誤率是必要的考核項(xiàng)目。

如在航空領(lǐng)域IEC 62396《航空電子設(shè)備過(guò)程管理-大氣輻射效應(yīng)》詳細(xì)論述了大氣中子誘發(fā)單粒子效應(yīng)對(duì)元器件、設(shè)備、系統(tǒng)的影響和應(yīng)對(duì)策略，并且大氣中子單粒子效應(yīng)也納入了DO254的基礎(chǔ)程序與認(rèn)證方法的重點(diǎn)考慮因素。

在地面交通領(lǐng)域，ISO26262將α粒子和大氣中子誘發(fā)集成電路軟錯(cuò)誤作為系統(tǒng)安全的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。汽車(chē)電子認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)誤率作為單獨(dú)認(rèn)證項(xiàng)目。

問(wèn)題3 軟錯(cuò)誤率實(shí)驗(yàn)如何實(shí)現(xiàn)的，需要具備哪些條件？

軟錯(cuò)誤率實(shí)驗(yàn)目前主要采用加速實(shí)驗(yàn)輻射方式完成對(duì)集成電路地面單粒子軟錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)。

加速實(shí)驗(yàn)即采用單位時(shí)間內(nèi)粒子放射量（通量）高于真實(shí)情況數(shù)倍的放射源，對(duì)待測(cè)器件進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，得到累積軟錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后，再通過(guò)與實(shí)際情況比例系數(shù)反推至真實(shí)情況下的軟錯(cuò)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(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除了要擁有必要的輻射源，還需要考慮其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)α粒子實(shí)驗(yàn)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(chǔ)區(qū)），因此實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)需要采用定點(diǎn)開(kāi)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(wú)法進(jìn)行α粒子實(shí)驗(yàn)。

進(jìn)行集成電路軟錯(cuò)誤率實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要：

1.保證器件可以持續(xù)工作。

2.通過(guò)監(jiān)測(cè)手段獲得器件存儲(chǔ)區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3.能夠與預(yù)期數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，確定錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

4.需要能夠檢測(cè)到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的實(shí)際物理地址，這主要是為了統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的多位翻轉(zhuǎn)情況。

廣電計(jì)量的服務(wù)

廣電計(jì)量作為專(zhuān)業(yè)第三方測(cè)試平臺(tái)，在集成電路軟錯(cuò)誤率評(píng)估方面具備資深的技術(shù)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，為集成電路產(chǎn)品提供包括AEC-Q100，ISO26262，IEC62396等的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的集成電路軟錯(cuò)誤率評(píng)估實(shí)驗(yàn)提供技術(shù)咨詢(xún)和技術(shù)服務(wù)，包括測(cè)試方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化，測(cè)試系統(tǒng)軟硬件開(kāi)發(fā)，輻射實(shí)驗(yàn)實(shí)施，數(shù)據(jù)收集與分析。為集成電路產(chǎn)品的檢測(cè)認(rèn)證，功能安全評(píng)估提供技術(shù)支持和保障。

岳龍，博士學(xué)歷，高級(jí)工程師，電子元器件質(zhì)量可靠性專(zhuān)業(yè)，從事電子元器件篩選及可靠性測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)研究，電子元器件空間極端環(huán)境，輻射環(huán)境的服役行為表征及實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，電子元器件失效分析技術(shù)研究，電子元器件加速壽命實(shí)驗(yàn)理論及測(cè)試技術(shù)研究，元器件裝聯(lián)工藝質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)研究，元器件國(guó)產(chǎn)化驗(yàn)證技術(shù)研究。

熟悉電子元器件性能及可靠性評(píng)價(jià)方法，在可靠性驗(yàn)證方面具備豐富經(jīng)驗(yàn)，作為專(zhuān)家支撐國(guó)產(chǎn)化元器件驗(yàn)證工程，元器件鑒定及質(zhì)量歸零。主持或參與國(guó)家級(jí)科研課題5項(xiàng)，省市級(jí)科研課題5項(xiàng)，發(fā)表SCI及核心期刊論文17篇，授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利7項(xiàng)，譯著1本。

關(guān)于廣電計(jì)量半導(dǎo)體服務(wù)

廣電計(jì)量在全國(guó)設(shè)有元器件篩選及失效分析實(shí)驗(yàn)室，形成了以博士、專(zhuān)家為首的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建了元器件國(guó)產(chǎn)化驗(yàn)證與競(jìng)品分析、集成電路測(cè)試與工藝評(píng)價(jià)、半導(dǎo)體功率器件質(zhì)量提升工程、車(chē)規(guī)級(jí)芯片與元器件AEC-Q認(rèn)證、車(chē)規(guī)功率模塊AQG324認(rèn)證等多個(gè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái)、滿(mǎn)足裝備制造、航空航天、汽車(chē)、軌道交通、5G通信、光電器件與傳感器等領(lǐng)域的電子產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的需求。

我們的服務(wù)優(yōu)勢(shì)

●配合工信部牽頭“面向集成電路、芯片產(chǎn)業(yè)的公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目”“面向制造業(yè)的傳感器等關(guān)鍵元器件創(chuàng)新成果產(chǎn)業(yè)化公共服務(wù)平臺(tái)”等多個(gè)項(xiàng)目；

●在集成電路及SiC領(lǐng)域是技術(shù)能力最全面、知名度最高的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)之一，已完成MCU、AI芯片、安全芯片等上百個(gè)型號(hào)的芯片驗(yàn)證；

●在車(chē)規(guī)領(lǐng)域擁有AEC-Q及AQG324全套服務(wù)能力，獲得了近50家車(chē)廠的認(rèn)可，出具近300份AEC-Q及AQG324報(bào)告，助力100多款車(chē)規(guī)元器件量產(chǎn)。