防辐照裸芯片产品 - 与 Micross 合作的产品与服务

背景

半导体芯片的本质-在固态晶体内依靠载流子的精密控制，使它们很容易受到离子辐射影响。由于大气核试验所产生的过度辐射而导致60年代通信卫星早期失败，人们便开始认识到在半导体行业中一定要采用一些特殊的测试方法来满足对于受辐照影响的环境下裸片仍然要保持可靠性能的要求。

受连续或间歇性离子辐射的设备包括：用于在同温层工作的太空飞行器，所有类型太空船，核电站及战场的控制和监视系统

辐射的本质和来源

当辐射的能量级足够使受影响的物质中电子从原子脱离，辐射被划分为“离子式”。辐射有很多种，包括：高能量的电磁辐射（X-射线和r-射线），高能量的粒子（电子，质子，阿尔法粒子，中子和离子）。

自然界的辐射有两个来源：太阳风（太阳散发的带电粒子流，主要受地球磁场的影响）和宇宙射线（来自外太空的多种粒子混合体）。辐射的能量水平和混合随着与地球距离的远近而不同，例如：一个低轨道的全球定位卫星可以从太空距离探测仪上显示不同的辐射环境。自然界的最低辐射级别在海面上，辐射非常低，对多数电子设备不会有影响。

人为的辐射包括来自核能源的辐射，核武器和使用高能量粒子上的设备（例如：医学成像设备和用于高能量物理的粒子加速器）。

辐射的影响

辐射对半导体的潜在影响主要包括两个方面：对器件功能的瞬间影响和长期累积损害，导致器件参数的永久改变。

瞬间影响

总体来说辐射的瞬时影响被称为单体影响（SEE），这种影响是由裸芯片晶格中原子的离子化引起的，这种离子化会导致空穴电子对的产生，这些空穴电子对在芯片中作为寄生的载流子存在。这些载流子的精准控制取决于它们在芯片中密度和位置。在某些情况下，它们会引起芯片特性参数的瞬时变化，这种现象被人们称作单体翻转（SEU）。影响的结果取决于影响发生的大小，发生的位置以及所应用电路的特性，一个典型的结果就是在数字电路中意外发生逻辑转移或者是模拟电路中出现噪声脉冲。对整个系统的影响非常严重，尤其是在数字电路中。

如果寄生电荷载体影响到单个晶体管和半导体基板间的绝缘结点，这就是更为严重的瞬时影响，因为寄生载流子能够产生一定量的电荷使反偏压结变成正向偏压结。这会引起低阻抗四层寄生器件的产生，人们称之为单体闭锁(SEL)。SEL会使整个器件失效直到关闭电源才能重新启动。在许多情况下，SEL会产生过大电流而损坏芯片。

长期影响

有两种主要的辐射会导致器件参数的长期改变。在当高能量粒子引起晶格损坏并产生缺陷时会出现移位损坏。这些缺陷会产生局部载流子重组的位置从而降低少数载流子的寿命，其结果就是双极型晶体管的增益降低。MOS器件受影响较少。

第二个长期影响是由在氧化层原子的离子化而产生的。氧化物中的俘获电荷会通过累计转换临界电压（栅级启动电压）而特别影响MOS器件。非易失的存储芯片例如flash依靠存储的电荷工作，也会受到影响，可能会丢失数据。

通常，长期辐射影响与整段时间内的辐射水平是成比例的，这就是人们常说的“整体辐射量”。这意味着短时间高密度辐射与长时间低密度辐射所产生的芯片性能退化效果是一样的。然而近年来，人们观察到许多双极型芯片的性能受长时间低辐射的影响要比受高辐射影响更大。这种现象通常被称作ELDR（增强型低剂量）影响。

辐射的测试和评价

由于防辐射芯片市场需求非常有限，半导体厂商的检查工序中不会例行为绝大多数的芯片进行防辐射测试。但是从理论上说任何芯片都可以通过必要的测试，鉴定这片芯片是否是防辐射芯片。在大多数应用中与SEE相反的的长期影响最受关注。对SEE的评价通常应用在特种系统中，这些系统要求可以承受核武器所释放出来的高密度辐射脉冲。

现存的许多描述辐射总剂量测试方法的行业标准都包括有由美国国防部和欧洲宇航局颁布的测试TDR的方法。TDR的单位称为rad(辐射吸收剂量），使每克物质吸收100尔格能量的辐射剂量称为1rad。TDR的另一单位是格雷(Gy)，1Gy=100rad=1J/kg 吸收能量；Gy在半导体测试中很少用到。

由于不同物质的辐射吸收力不同，因此对于硅基芯片，辐射测量单位通常是用硅的Rad（Si），少数情况下会使用二氧化硅的Rad(SiO2)。TDR的测试水平范围包括3krad到100krad或是更高，这由具体应用而定。应用相关的因素包括辐射环境，芯片和系统封装提供的屏蔽程度。

许多情况下，使用者都要求裸片在一个很低的辐射水平环境下能够长时间保持可靠的工作性能，在这种情况下，人们会采取加速测试方法既将裸芯片样品放在短时间，高辐射的条件下进行测试。这种加速测试方法用于双极型器件时需要考虑到上面提到的ELDR影响，值得注意的是ELDR影响并不会使计算出的加速度因子失效。

辐射测试和评价能力

1. 可根据MIL-STDs标准评价

2. 可根据ESA SCC标准评价

3. 可根据客户要求标准评价

4. 按宇航级防辐照芯片标准进行防辐照芯片的镜检

5. 按照客户的设计进行防辐照芯片封装

6. 与各芯片厂家合作提供防辐照芯片和宇航级的KGD芯片。