皮秒脉冲激光技术在AS32S601单粒子效应评估中的应用

在现代电子技术领域，随着集成电路的不断发展和应用范围的日益扩大，其在复杂环境下的可靠性问题愈发受到关注。单粒子效应（Single Event Effect, SEE）是影响微电子器件在辐射环境中可靠性的重要因素之一。为了评估芯片在辐射环境中的抗单粒子效应能力，皮秒脉冲激光技术作为一种先进的模拟手段被广泛应用。本文将以 AS32S601 型 MCU 的单粒子效应评估为例，详细介绍皮秒脉冲激光技术在该领域的应用。

一、单粒子效应概述

单粒子效应是指高能粒子（如质子、重离子等）在穿过半导体器件时，与器件内部的原子发生碰撞，产生大量电离电子-空穴对，从而引发器件性能异常的现象。根据效应的类型和严重程度，单粒子效应可以分为单粒子翻转（Single Event Upset, SEU）、单粒子锁定（Single Event Latch-up, SEL）、单粒子烧毁（Single Event Burnout, SEB）等多种形式。其中，SEU 是指高能粒子撞击导致器件内部存储单元或逻辑状态发生改变的现象，而 SEL 则是指高能粒子撞击引发器件内部寄生晶体管导通，导致器件电流急剧增加，可能造成器件损坏的现象。

二、皮秒脉冲激光技术简介

皮秒脉冲激光技术是一种利用超短脉冲激光来模拟高能粒子与半导体器件相互作用的技术。皮秒脉冲激光具有脉冲宽度极短（通常在皮秒量级，1皮秒=10⁻¹²秒）、能量集中、可精确控制等优点。通过调整激光的参数（如脉冲能量、脉冲宽度、光斑尺寸等），可以模拟不同能量和LET（Linear Energy Transfer，线性能量传输）的高能粒子对半导体器件的作用。与传统的辐射试验方法相比，皮秒脉冲激光技术具有试验条件易于控制、重复性好、试验周期短等优点，能够有效地评估半导体器件在辐射环境下的抗单粒子效应能力。

三、AS32S601型MCU简介

AS32S601是一款基于32位RISC-V指令集的MCU产品，具有丰富的Flash容量、支持ASIL-B等级的功能安全ISO26262，同时具备高安全、低失效、多IO、低成本等特点。其工作频率高达180MHz，工作输入电压支持2.7V~5.5V，休眠电流低至200uA（可唤醒），典型工作电流为50mA。该芯片还符合AEC-Q100 grade1认证标准（汽车级），具备较强的抗辐射能力，适用于工业、汽车以及商业航天等领域。在单粒子效应方面，AS32S601的设计目标是达到SEU≥75MeV·cm²/mg或10⁻⁵次/器件·天（企业宇航级）、SEL≥75MeV·cm²/mg（企业宇航级）的水平。

四、皮秒脉冲激光试验装置与方法

（一）试验装置

本次试验在中关村B481的脉冲激光单粒子效应实验室进行，试验装置包括皮秒脉冲激光单粒子效应装置、直流电源、电控平移台等仪器设备。皮秒脉冲激光单粒子效应装置由皮秒脉冲激光器、光路调节和聚焦设备、三维移动台、CCD摄像机和控制计算机等组成。试验装置原理如下：

焊接试验样品的试验电路板固定于三维移动台上，三维移动台的位置和移动方式由控制计算机编程控制；脉冲激光器产生的激光经过相应光路调节和物镜聚焦后辐照试验样品；试验样品表面和激光光斑可由CCD相机成像在控制计算机显示；试验样品由直流电源供电并实时监测配套电路输出变化。

（二）试验方法

1. 扫描方法

试验前将试验电路板固定于三维移动台上，一般使样片的长 a 对应 CCD 成像的 Y 轴，宽 b 对应 CCD 成像的 X 轴，样品 CCD 成像的左下角作为坐标轴原点，即扫描起点。试验时为使激光覆盖扫描试验样品，设定三维移动台按如下顺序作周期移动，共移动 b/10 个周期：（1）沿 -Y 轴移动距离（a+50）μm；（2）沿 -X 轴移动 5μm（X 轴步长）；（3）沿 +Y 轴移动距离（a+50）μm；（4）沿 -X 轴移动 5μm。激光相对三维移动台作反方向运动，相对扫描方式如图1所示。

2. 激光注量

激光注量若定为 1×10⁷cm²，即单个激光的 X 轴和 Y 轴步长都为 3μm，其中 X 轴步长为直接设定。三维移动台沿 Y 轴是匀速移动，Y 轴步长由激光频率和三维移动台移动速度决定，设定激光频率为 1000Hz，三维移动台移动速度为 10000μm/s，则Y轴步长满足3μm要求。其他注量与步长按此算法推算。光注量相关参数如表1所示。

3.激光能量

根据激光能量与重离子LET值对应关系计算得到扫描初始激光能量设定为120pJ（对应LET值为（5±1.25）MeV·cm²/mg），最高采用的能量为1830pJ（对应LET值为（75±18.75）MeV·cm²/mg）。如采用激光有效能量为对应LET值=5MeV·cm²/mg时芯片不发生锁定，则增大激光能量（也即增大对应的LET值）。

4.单粒子效应判定及处理方法

当试验样品工作状态出现异常（超过正常芯片工作电流的1.5倍），认为发生单粒子锁定效应（SEL）。发生单粒子效应时，试验人员手动给测试电路断电，同时关闭激光快门，停止三维移动台的扫描程序。

五、试验过程与结果分析

（一）试验过程

以其中一款器件为例说明试验步骤，其他芯片试验步骤仿照此过程进行。具体步骤如下：

打开皮秒脉冲激光器，设定激光脉冲频率为1000Hz，激光器稳定运行。

将激光聚焦到器件正面，测得器件长a宽b，通过移动三维移动台使激光光斑定位到试验器件显微成像的右下角，并作为扫描原点。

试验器件加电，记录工作电压。

设定初始激光能量为120pJ（对应LET值为（5±1.25）MeV·cm²/mg），设定三维移动台按照表1中所述周期移动，使激光以1×10⁷cm²注量覆盖扫描试验器件，如果未出现单粒子效应，则按照初始设定能量继续增大能量并扫描器件，直至出现单粒子效应。

拆除电路板，更换测试芯片，重复（2）-（5）试验过程。

关闭激光器，试验结束。

（二）结果分析

AS32S601型MCU在5V的工作条件下，利用激光能量为120pJ（对应LET值为5MeV·cm²/mg）开始进行全芯片扫描，未出现单粒子效应。当激光能量提升至1585pJ（对应LET值为75MeV·cm²/mg）时，监测到芯片发生单粒子翻转（SEU）现象。

六、皮秒脉冲激光技术的优势与局限性

（一）优势

精确模拟 ：皮秒脉冲激光技术能够精确模拟高能粒子与半导体器件相互作用的过程，通过调整激光参数，可以模拟不同能量和LET的高能粒子，为单粒子效应的研究提供了有力的工具。

试验条件易于控制 ：与传统的辐射试验方法相比，皮秒脉冲激光试验的条件易于控制，如激光能量、脉冲宽度、光斑尺寸等参数都可以通过仪器设备进行精确调节，从而保证试验的重复性和可靠性。

试验周期短 ：传统的辐射试验通常需要较长的时间来完成，而皮秒脉冲激光试验可以在较短的时间内完成对芯片的单粒子效应评估，大大提高了试验效率。

安全性高 ：在皮秒脉冲激光试验过程中，试验人员可以通过控制计算机进行远程操作，避免了直接接触高能粒子源，提高了试验的安全性。

（二）局限性

成本较高 ：皮秒脉冲激光设备价格昂贵，且需要专业的技术人员进行操作和维护，这在一定程度上限制了其广泛应用。

模拟范围有限 ：虽然皮秒脉冲激光技术能够模拟多种高能粒子的作用，但对于一些特殊类型的单粒子效应（如单粒子烧毁等）的模拟效果可能不够理想，需要结合其他试验方法进行综合评估。

对样品要求高 ：试验样品需要进行特殊的处理，如开封装处理等，以使样品正面金属管芯表面完全暴露，这可能会对样品造成一定的损伤，影响试验结果的准确性。

七、结论与展望

皮秒脉冲激光技术在AS32S601型MCU的单粒子效应评估中发挥了重要作用，通过精确控制激光参数，能够有效地模拟高能粒子对芯片的作用，为芯片的抗单粒子效应能力评估提供了有力的支持。试验结果表明，AS32S601型MCU具备较好的抗单粒子效应能力，能够满足企业宇航级的要求。然而，皮秒脉冲激光技术也存在一定的局限性，如成本较高、模拟范围有限等。未来，随着技术的不断发展和改进，皮秒脉冲激光技术有望在单粒子效应评估领域发挥更大的作用，为电子器件的可靠性研究提供更加准确和高效的方法。

审核编辑 黄宇