一、引言

芯片作為現(xiàn)代電子設(shè)備的核心部件，其安全性在航空航天、衛(wèi)星通信、軍事裝備等特殊領(lǐng)域至關(guān)重要。空間輻射環(huán)境中的質(zhì)子對芯片的影響不容小覷，質(zhì)子試驗作為一種重要的研究手段，對于評估和保障芯片在空間環(huán)境中的安全性具有不可或缺的作用。

二、空間輻射環(huán)境及質(zhì)子的特點(diǎn)

（一）空間輻射環(huán)境概述

空間輻射環(huán)境復(fù)雜多樣，主要包括銀河宇宙射線、太陽宇宙射線、地球輻射帶粒子等。這些高能粒子會對航天器及其電子設(shè)備產(chǎn)生不同程度的影響，其中質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中的主要組成部分之一。

（二）質(zhì)子的特點(diǎn)

質(zhì)子具有較高的電離密度和穿透能力，能夠在芯片內(nèi)部引發(fā)一系列復(fù)雜的物理效應(yīng)。其能量范圍較廣，在不同的空間環(huán)境和應(yīng)用場景中，質(zhì)子的能量分布也有所差異，從幾兆電子伏特到幾百兆電子伏特甚至更高。

三、質(zhì)子試驗在芯片安全中的作用

（一）評估芯片抗輻射能力

總劑量效應(yīng)評估 ：質(zhì)子輻射會對芯片產(chǎn)生累積的總劑量效應(yīng)，導(dǎo)致芯片的性能參數(shù)發(fā)生變化，如漏電流增加、閾值電壓漂移、載流子遷移率下降等。通過質(zhì)子試驗，可以精確測量芯片在不同質(zhì)子注量和能量條件下的總劑量效應(yīng)，從而確定芯片的抗總劑量輻射能力，為芯片在空間環(huán)境中的長期可靠性評估提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

單粒子效應(yīng)評估 ：質(zhì)子可能引發(fā)芯片的單粒子效應(yīng)，包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子門控、單粒子燒毀等。例如，在地球軌道高度1000km-11000km之間，FPGA的單粒子翻轉(zhuǎn)概率較高。某衛(wèi)星數(shù)傳綜合處理器在軌工作時，地面接收到的數(shù)據(jù)多次出現(xiàn)異常，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)是FPGA受到空間單粒子效應(yīng)的影響，最終確定單粒子翻轉(zhuǎn)率為0.03Upsets/device·day。

（二）揭示芯片輻射損傷機(jī)理

電離效應(yīng)研究 ：質(zhì)子在芯片內(nèi)部穿越時，會與原子發(fā)生電離碰撞，產(chǎn)生大量的電子-空穴對。這些額外的載流子會影響芯片的電學(xué)性能，如導(dǎo)致CMOS傳感器的暗信號增加、存儲器的比特翻轉(zhuǎn)等。國科安芯通過輻射效應(yīng)測試與建模，準(zhǔn)確評估芯片在不同輻射環(huán)境下的性能變化，為芯片的抗輻射設(shè)計改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。在測試中發(fā)現(xiàn)芯片在特定輻射條件下的單粒子翻轉(zhuǎn)與單粒子鎖定產(chǎn)生概率，并針對性地優(yōu)化芯片的抗輻射能力。

位移效應(yīng)研究 ：質(zhì)子與芯片中的原子發(fā)生彈性碰撞時，會使原子離開其原來的晶格位置，形成空位、間隙原子等缺陷，即位移效應(yīng)。這些缺陷會在芯片材料中引入應(yīng)力，改變其電學(xué)、光學(xué)等特性，進(jìn)而影響芯片的性能和可靠性。例如，位移效應(yīng)可能導(dǎo)致晶體管的遷移率降低、二極管的反向漏電流增加等。質(zhì)子試驗有助于定量研究位移效應(yīng)對芯片的損傷程度，了解位移損傷與質(zhì)子能量、注量以及芯片材料和工藝的關(guān)系，為芯片的抗位移效應(yīng)設(shè)計和改進(jìn)提供理論支持。

（三）優(yōu)化芯片設(shè)計與制造工藝

指導(dǎo)芯片版圖設(shè)計 ：根據(jù)質(zhì)子試驗結(jié)果，了解芯片在質(zhì)子輻射下的薄弱環(huán)節(jié)和敏感區(qū)域，如存儲單元、邏輯門、互連線等。在芯片版圖設(shè)計階段，可以針對性地采取優(yōu)化措施，如增加屏蔽結(jié)構(gòu)、調(diào)整器件布局、增大關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的尺寸等，以提高芯片的抗輻射能力，降低質(zhì)子對芯片功能和性能的影響。

改進(jìn)制造工藝 ：質(zhì)子試驗可以發(fā)現(xiàn)芯片制造工藝中的潛在問題，如某些工藝步驟對輻射的敏感性、材料的純度和缺陷密度對芯片抗輻射性能的影響等。通過與工藝研發(fā)部門的緊密合作，改進(jìn)芯片的制造工藝，如優(yōu)化離子注入?yún)?shù)、選擇更抗輻射的材料、提高晶體生長質(zhì)量等，可以從本質(zhì)上提升芯片的抗輻射能力，減少質(zhì)子輻射帶來的損傷。

（四）助力芯片篩選與質(zhì)量控制

建立篩選標(biāo)準(zhǔn) ：質(zhì)子試驗數(shù)據(jù)可以用于建立芯片抗輻射性能的篩選標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。通過對不同批次、不同型號芯片進(jìn)行質(zhì)子試驗，確定其在特定質(zhì)子輻射條件下的性能變化范圍和失效閾值，從而為芯片的篩選提供量化依據(jù)。在芯片采購和使用前，依據(jù)篩選標(biāo)準(zhǔn)對芯片進(jìn)行質(zhì)量控制，確保所選用的芯片具備足夠的抗輻射能力，滿足空間應(yīng)用等苛刻環(huán)境的要求。

質(zhì)量一致性評估 ：在芯片生產(chǎn)過程中，質(zhì)子試驗可以幫助評估芯片質(zhì)量的一致性。由于芯片制造過程中的微小差異可能導(dǎo)致芯片抗輻射性能的差異，通過定期對生產(chǎn)線上抽檢的芯片進(jìn)行質(zhì)子試驗，可以及時發(fā)現(xiàn)和控制芯片質(zhì)量的波動，保證芯片在抗輻射性能方面的穩(wěn)定性和可靠性，提高整個芯片批次的質(zhì)量水平。

四、質(zhì)子試驗的方法與技術(shù)

（一）試驗設(shè)備與裝置

質(zhì)子加速器 ：質(zhì)子加速器是產(chǎn)生高能質(zhì)子束的主要設(shè)備，常見的有回旋加速器、直線加速器等?；匦铀倨髂軌虍a(chǎn)生較高能量的質(zhì)子束，能量范圍通常在幾十兆電子伏特到幾百兆電子伏特之間，且束流強(qiáng)度較大，適合進(jìn)行大規(guī)模的質(zhì)子試驗。直線加速器則具有加速距離短、能量可調(diào)范圍寬等特點(diǎn)，在一些特定的能量范圍內(nèi)也能為質(zhì)子試驗提供優(yōu)質(zhì)的質(zhì)子束。

輻射靶室與束流準(zhǔn)直系統(tǒng) ：輻射靶室是進(jìn)行質(zhì)子試驗的場所，需要具備良好的真空環(huán)境和輻射屏蔽能力，以確保試驗的安全性和準(zhǔn)確性。束流準(zhǔn)直系統(tǒng)用于將加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束進(jìn)行聚焦、準(zhǔn)直和能量選擇，使質(zhì)子束以合適的尺寸、方向和能量照射到待測芯片上，提高試驗的精度和效率。

劑量監(jiān)測與測量設(shè)備 ：在質(zhì)子試驗過程中，準(zhǔn)確測量質(zhì)子的劑量是至關(guān)重要的。常用的劑量監(jiān)測設(shè)備包括半導(dǎo)體劑量計、熱釋光劑量計、電離室等。這些設(shè)備可以實時監(jiān)測質(zhì)子束的注量、能量分布等參數(shù)，為試驗提供精確的劑量數(shù)據(jù)，確保試驗結(jié)果的可靠性。

（二）試驗樣品準(zhǔn)備

芯片封裝形式選擇 ：根據(jù)試驗?zāi)康暮托酒膶嶋H應(yīng)用情況，可以選擇不同封裝形式的芯片進(jìn)行質(zhì)子試驗。對于一些需要研究芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和器件特性與質(zhì)子相互作用關(guān)系的試驗，通常采用裸芯片形式，以便更直接地觀察和分析質(zhì)子對芯片的影響。而在評估芯片在實際應(yīng)用中的抗輻射性能時，則可以采用與實際使用相同的封裝形式，如塑料封裝、陶瓷封裝等，以考慮封裝材料對質(zhì)子輻射的屏蔽效應(yīng)和二次效應(yīng)。

樣品數(shù)量與代表性 ：為了獲得具有統(tǒng)計意義的試驗結(jié)果，需要合理確定樣品數(shù)量。一般情況下，樣品數(shù)量越多，試驗結(jié)果的可靠性越高，但同時也增加了試驗成本和工作量。因此，在確定樣品數(shù)量時，需要綜合考慮試驗?zāi)康?、芯片的重要性和可用資源等因素。同時，要確保所選樣品能夠代表同一批次或同一種類的芯片，避免因樣品的個體差異而影響試驗結(jié)果的普遍性和適用性。

（三）試驗條件與參數(shù)設(shè)置

質(zhì)子能量選擇 ：根據(jù)芯片的實際應(yīng)用軌道和空間環(huán)境特點(diǎn)，選擇合適的質(zhì)子能量范圍進(jìn)行試驗。不同的軌道高度和地理位置的空間輻射環(huán)境中的質(zhì)子能量分布存在差異，例如，在低地球軌道（LEO）環(huán)境中，質(zhì)子能量主要集中在幾十兆電子伏特以下，而在地球同步軌道（GEO）和深空探測環(huán)境中，質(zhì)子能量則可能達(dá)到幾百兆電子伏特甚至更高。因此，為了模擬真實的空間輻射環(huán)境，需要針對具體的芯片應(yīng)用軌道，參考相關(guān)的空間環(huán)境模型和數(shù)據(jù)，確定質(zhì)子試驗的能量范圍和能量分布。

注量率與總注量設(shè)置 ：注量率是指單位時間內(nèi)質(zhì)子照射到芯片上的數(shù)量，總注量則是指整個試驗過程中芯片所承受的質(zhì)子總數(shù)量。在質(zhì)子試驗中，合理設(shè)置注量率和總注量是關(guān)鍵。一方面，注量率應(yīng)盡量接近空間環(huán)境中的實際注量率，以便更準(zhǔn)確地模擬芯片在軌運(yùn)行時的輻射環(huán)境和損傷積累過程。另一方面，總注量應(yīng)根據(jù)芯片的預(yù)期使用壽命和空間任務(wù)的要求來確定，確保試驗后的芯片性能變化能夠反映其在整個壽命周期內(nèi)的抗輻射能力。通常，可以通過調(diào)整質(zhì)子加速器的束流強(qiáng)度和照射時間來實現(xiàn)對注量率和總注量的精確控制。

溫度與偏置條件控制 ：芯片在工作過程中的溫度和偏置條件對其性能和抗輻射能力有重要影響。在質(zhì)子試驗中，需要根據(jù)芯片的實際工作場景，設(shè)置相應(yīng)的溫度和偏置條件，以模擬芯片在真實應(yīng)用環(huán)境中的工作狀態(tài)。例如，在一些航天器電子系統(tǒng)中，芯片可能在低溫、低功耗模式下工作，而在另一些情況下，則可能需要在高溫、高功耗條件下運(yùn)行。通過精確控制試驗環(huán)境的溫度和對芯片施加不同的工作偏置，可以研究芯片在不同工作狀態(tài)下的抗輻射性能變化，為芯片的可靠性和安全性評估提供更全面的數(shù)據(jù)支持。

（四）試驗過程與數(shù)據(jù)采集

試驗步驟 ：在質(zhì)子試驗開始前，首先需要對試驗設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)，確保質(zhì)子束的各項參數(shù)符合試驗要求。然后，將準(zhǔn)備好的芯片樣品安裝在輻射靶室內(nèi)的樣品架上，并連接好相關(guān)的電學(xué)測試引線和信號采集設(shè)備。接著，按照預(yù)定的試驗條件，啟動質(zhì)子加速器，將質(zhì)子束照射到芯片樣品上，同時實時監(jiān)測質(zhì)子束的劑量、能量等參數(shù)，并記錄芯片在輻射過程中的電學(xué)性能變化情況，如電流、電壓、邏輯狀態(tài)等。

數(shù)據(jù)采集與分析方法 ：在質(zhì)子試驗過程中，采用高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對芯片的各項性能參數(shù)進(jìn)行實時采集和記錄。數(shù)據(jù)采集的頻率和精度應(yīng)根據(jù)芯片的特性和試驗要求進(jìn)行合理設(shè)置，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉到芯片在輻射過程中的細(xì)微變化。同時，結(jié)合試驗前對芯片性能的測試結(jié)果，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析和處理，提取關(guān)鍵信息，如芯片的閾值電壓漂移量、漏電流增加量、單粒子效應(yīng)發(fā)生率等。通過對這些數(shù)據(jù)的分析，可以評估芯片在質(zhì)子輻射下的性能退化程度和抗輻射能力，揭示質(zhì)子輻射對芯片的影響規(guī)律和損傷機(jī)理。

五、質(zhì)子試驗在芯片安全領(lǐng)域的應(yīng)用實例

（一）航天芯片應(yīng)用

在航天領(lǐng)域，芯片需要面對嚴(yán)苛的空間輻射環(huán)境，質(zhì)子試驗對于確保航天芯片的安全性和可靠性具有至關(guān)重要的作用。例如，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星上的處理器芯片、存儲器芯片、圖像傳感器芯片等都需要經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)子試驗評估。通過對這些芯片進(jìn)行質(zhì)子試驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子輻射會導(dǎo)致衛(wèi)星處理器芯片的邏輯電路出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，從而引起數(shù)據(jù)傳輸錯誤、指令執(zhí)行錯誤等問題，影響衛(wèi)星的正常運(yùn)行。針對這一問題，通過優(yōu)化芯片的設(shè)計和制造工藝，如采用抗單粒子效應(yīng)的錯誤檢測與糾正（EDAC）技術(shù)、冗余設(shè)計等，可以顯著提高衛(wèi)星處理器芯片的抗質(zhì)子輻射能力，降低單粒子翻轉(zhuǎn)的發(fā)生率，確保衛(wèi)星通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（二）高能物理實驗設(shè)備芯片應(yīng)用

在高能物理實驗中，大量的探測器芯片和電子學(xué)芯片用于探測和記錄高能粒子的相互作用過程。這些芯片需要在高能質(zhì)子束等強(qiáng)輻射環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。質(zhì)子試驗在評估和優(yōu)化這些芯片的性能方面發(fā)揮了重要作用。例如，在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）實驗中，對探測器芯片進(jìn)行了系統(tǒng)的質(zhì)子試驗，研究了質(zhì)子輻射對芯片的電學(xué)性能、探測效率、信號讀出等方面的影響。試驗結(jié)果表明，質(zhì)子輻射會使探測器芯片的噪聲水平升高、探測效率下降，并且在高注量下可能導(dǎo)致芯片的永久性損壞。基于質(zhì)子試驗結(jié)果，研究人員對探測器芯片進(jìn)行了改進(jìn)和加固設(shè)計，如采用更抗輻射的半導(dǎo)體材料、優(yōu)化芯片的幾何結(jié)構(gòu)、增加輻射屏蔽等措施，提高了探測器芯片在高能物理實驗中的抗輻射能力和可靠性，確保了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取和科學(xué)價值的最大化。

（三）軍事裝備芯片應(yīng)用

在軍事裝備領(lǐng)域，芯片的安全性和可靠性直接關(guān)系到武器系統(tǒng)的性能和作戰(zhàn)效能。質(zhì)子試驗對于軍事芯片的抗輻射加固和安全性評估具有重要意義。例如，在導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中，攔截導(dǎo)彈上的制導(dǎo)芯片需要在復(fù)雜的輻射環(huán)境下準(zhǔn)確地完成目標(biāo)識別、跟蹤和制導(dǎo)任務(wù)。質(zhì)子試驗可以模擬戰(zhàn)場環(huán)境中可能出現(xiàn)的核輻射效應(yīng)以及空間輻射環(huán)境對制導(dǎo)芯片的影響，通過對芯片進(jìn)行質(zhì)子試驗，發(fā)現(xiàn)其在質(zhì)子輻射下的潛在弱點(diǎn)和故障模式，如芯片的模擬電路部分對質(zhì)子輻射的敏感性較高，容易導(dǎo)致信號失真、增益變化等問題，影響制導(dǎo)系統(tǒng)的精度和可靠性。針對這些問題，采取相應(yīng)的抗輻射措施，如對模擬電路進(jìn)行屏蔽設(shè)計、采用抗輻射的元器件替代等，可以提高制導(dǎo)芯片的抗輻射能力，增強(qiáng)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能和可靠性。

六、結(jié)論

質(zhì)子試驗在芯片安全領(lǐng)域具有不可替代的重要作用。通過開展系統(tǒng)的質(zhì)子試驗研究，可以全面評估芯片在空間輻射環(huán)境中的抗輻射性能，深入揭示質(zhì)子輻射對芯片的損傷機(jī)理，為芯片的設(shè)計優(yōu)化、制造工藝改進(jìn)、篩選與質(zhì)量控制提供有力的技術(shù)支持。在航空航天、高能物理實驗、軍事裝備等對芯片安全性要求極高的領(lǐng)域，質(zhì)子試驗的應(yīng)用實例充分證明了其對于保障芯片安全、提高系統(tǒng)可靠性的重要價值。隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展和空間探索等領(lǐng)域的深入拓展，質(zhì)子試驗技術(shù)也將不斷創(chuàng)新和完善，為芯片安全保駕護(hù)航，推動相關(guān)領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。

審核編輯 黃宇