摘 要： 空間輻射環(huán)境會(huì)對(duì)電子器件產(chǎn)生輻射損傷。由于商用器件性能普遍優(yōu)于抗輻射加固器件，所以從商用器件中篩選出抗輻射性能優(yōu)異的器件將在一定程度上提高空間電子系統(tǒng)的可靠性。結(jié)合數(shù)學(xué)回歸分析與物理應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的方法，研究了集成電路抗輻射性能無(wú)損篩選技術(shù)。通過(guò)不同的外界能量注入及總劑量輻照實(shí)驗(yàn)，探究電路典型參數(shù)的應(yīng)變情況與電路耐輻射性能的關(guān)系，并確定其輻射敏感參數(shù)；建立預(yù)測(cè)電路抗輻射性能的多元線性回歸方程，并對(duì)應(yīng)力條件下的回歸方程進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，物理應(yīng)力實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)回歸分析結(jié)合的篩選方法減小了實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的偏差，提高了預(yù)估方程的擬合優(yōu)度和顯著程度，使預(yù)估方程處于置信區(qū)間。

　　目前，大量電子元器件應(yīng)用于航天電子系統(tǒng)，然而空間輻射環(huán)境會(huì)對(duì)電子元器件產(chǎn)生輻射損傷，給航天電子系統(tǒng)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。雖然使用抗輻射加固電子元器件可以有效提高系統(tǒng)安全性及穩(wěn)定性，但由于抗輻射加固的集成電路研制周期很長(zhǎng)，成本很高，且微電子技術(shù)發(fā)展迅速，使得加固集成電路的性能比當(dāng)前主流技術(shù)落后二代以上。因此從性能先進(jìn)的商用大規(guī)模集成電路中篩選出抗輻射性能好的器件，對(duì)提高處于輻射環(huán)境中電子系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性具有重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外主要有兩種篩選方法，一種是通過(guò)向器件內(nèi)部注入物理應(yīng)力篩選出性能表現(xiàn)較好的器件。A.E.Saari,M.Catelani等人通過(guò)物理應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的方法，研究了物理應(yīng)力對(duì)器件的篩選性能，但是研究中多針對(duì)產(chǎn)品的成品率、實(shí)驗(yàn)成本等方面的內(nèi)容，并沒(méi)有給出預(yù)估結(jié)果；另一種是通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法。根據(jù)線性回歸方程預(yù)測(cè)器件的性能，從而達(dá)到篩選的目的。Michael R.Cooper等人基于應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)器件篩選進(jìn)行了相關(guān)研究，但是研究對(duì)象著重是各種應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的效果比對(duì)，并未從器件具體參數(shù)上給出篩選的結(jié)果，不能達(dá)到預(yù)估的效果。綜合目前主流篩選方法可以發(fā)現(xiàn)，物理應(yīng)力實(shí)驗(yàn)的方法是建立在器件輻射損傷的物理基礎(chǔ)上，具有較高的準(zhǔn)確性，但能量注入的方式、多少，將帶來(lái)器件損傷程度與信息有效性的矛盾；數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法可以得到統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，但此種方法是建立在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的，缺少物理基礎(chǔ)的支持。就目前的篩選方法來(lái)看，篩選實(shí)驗(yàn)無(wú)法保證篩選過(guò)程是無(wú)損篩選，并且不能對(duì)器件的性能進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估，無(wú)法達(dá)到篩選的目的。鑒于以上情況，本文采用商用Intel 80C196KB單片機(jī)為研究對(duì)象，將兩種方法結(jié)合，得出預(yù)估方程，預(yù)測(cè)器件的抗輻射性能。

　　1 實(shí)驗(yàn)方法

　　將物理應(yīng)力實(shí)驗(yàn)與多元線性回歸相結(jié)合，研究了單片機(jī)抗輻射性能的無(wú)損篩選方法。首先，根據(jù)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)前的初始數(shù)據(jù)與總劑量輻照后選擇的輻照性能參數(shù)（表征器件輻射性能的信息參數(shù)）選擇出輻照信息參數(shù)（與輻照性能參數(shù)相關(guān)性較強(qiáng)的普通信息參數(shù)）n1,n2,n3,n4,n5,然后線性擬合得到初始回歸方程f（n）；再根據(jù)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與總劑量輻照后選擇的輻照性能參數(shù)選擇出輻照信息參數(shù)m1,m2,m3,m4,m5,這些信息參數(shù)與應(yīng)力實(shí)驗(yàn)前選擇出的輻照信息參數(shù)可能并不相同，分析m1,m2,m3,m4,m5在應(yīng)力實(shí)驗(yàn)前后的變化，并根據(jù)m1,m2,m3,m4,m5與輻照性能參數(shù)線性擬合出回歸方程h（m），分析應(yīng)力前后回歸方程的準(zhǔn)確性及可靠性。

　　1.1 物理應(yīng)力實(shí)驗(yàn)

　　工業(yè)上主要采取的篩選方法主要包括功率老化、溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)及溫度沖擊等。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，溫度循環(huán)在加速器件壽命老化方面作用顯著，而功率老化則主要檢測(cè)器件及電路內(nèi)部缺陷。鑒于無(wú)損篩選方法的實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙饬x，應(yīng)力實(shí)驗(yàn)分別選擇功率老化和溫度循環(huán)。功率老化應(yīng)力是對(duì)器件施加恒定溫度和恒定電壓兩種應(yīng)力，使器件處于靜態(tài)工作狀態(tài)，以溫度應(yīng)力和電應(yīng)力的綜合作用加速電路的早期失效。依據(jù)器件手冊(cè)中-55℃~125℃，4.5V~5.5V的工作范圍，首先保持器件溫度為125℃，加偏壓+4.5V,保持24h,測(cè)量參數(shù)；然后保持溫度125℃不變，偏壓以步長(zhǎng)0.5V增長(zhǎng)，各保持24h,測(cè)量參數(shù)，直到參數(shù)產(chǎn)生離散為止，如果達(dá)到器件極限工作條件時(shí)，參數(shù)還沒(méi)有產(chǎn)生離散，則停止施加應(yīng)力。

　　溫度循環(huán)應(yīng)力是控制器件溫度在高溫120℃、低溫-50℃之間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換前每種溫度各保持2h,高低溫之間的轉(zhuǎn)換在0.5h內(nèi)完成，保持溫度循環(huán)進(jìn)行24h,測(cè)量參數(shù)，觀察器件參數(shù)是否產(chǎn)生離散，如果離散情況并不明顯，則高溫以5℃的步長(zhǎng)增加，低溫以-5℃的步長(zhǎng)減小，繼續(xù)各保持24h,測(cè)量參數(shù)。如果溫度達(dá)到器件極限工作溫度，參數(shù)仍未產(chǎn)生離散，則停止實(shí)驗(yàn)。

　　每個(gè)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)樣品各32個(gè)，應(yīng)力實(shí)驗(yàn)前測(cè)試初始數(shù)據(jù)，應(yīng)力實(shí)驗(yàn)后檢測(cè)數(shù)據(jù)分布的離散性，然后進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，測(cè)試輻射后樣品數(shù)據(jù)，挑選出輻射性能參數(shù)及輻射信息參數(shù)。分別利用1~24號(hào)樣品初始數(shù)據(jù)及應(yīng)力實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)擬合得到多元線性回歸方程，通過(guò)25~32號(hào)樣品的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)回歸方程的準(zhǔn)確性及可靠性。

　　1.2 多元線性回歸

　　所謂多元線性回歸方程是指影響因變量Y 的自變量往往不止一個(gè)，可能有m 個(gè)，即有X1,X2,…，Xm,每個(gè)自變量都對(duì)Y 有影響。多元線性回歸方程的一般形式為

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

　　式中：Yi是第i次實(shí)驗(yàn)中因變量的實(shí)驗(yàn)值，即器件的輻照性能參數(shù)，b0,b1,…，bm是回歸系數(shù)；Xi1,Xi2,…，Xim是第i次實(shí)驗(yàn)中輻照信息參數(shù)的實(shí)驗(yàn)值；n為隨機(jī)抽取的樣本數(shù)（即實(shí)驗(yàn)的樣本數(shù)）；m 為初選的輻照信息參數(shù)的個(gè)數(shù)。

　　通過(guò)摸底實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)80C196能承受的劑量為10~11krad（Si），因此確定輻照實(shí)驗(yàn)的總劑量為10krad（Si），選擇劑量率為50rad（Si）/s.

　　以往的研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)功耗電流是大規(guī)模集成電路抗輻射性能的敏感參數(shù)，輻照前后靜態(tài)功耗電流發(fā)生明顯變化。將輻照前后器件參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電路的靜態(tài)低功耗電流-待機(jī)電流Idd-idl變化明顯，故選擇輻照性能參數(shù)為Idd-idl.

　　選擇輻照信息參數(shù)，即器件89個(gè)初始參數(shù)中對(duì)輻照后的輻照性能參數(shù)有顯著作用的初始參數(shù)，需要求各個(gè)初始信息參數(shù)對(duì)輻照性能參數(shù)的單相關(guān)性rj.從其中選擇相關(guān)系數(shù)的5個(gè)參數(shù)作為輻照信息參數(shù)。

相關(guān)資料：

大規(guī)模集成電路抗輻射性能無(wú)損篩選方法（二）