GB/T 39343-2020 宇航用处理器器件单粒子试验设计与程序

ICS49.035

v25GB

中华人民共和国国家标准

GB/T39343-2020

宇航用处理器器件单粒子试验设计与程序

Processordevicesingleeventeffectsexperimentdesignand

procedureforaerospace

2020-11-19发布2021-06-01实施

国家市场监督管理总局申＃

国家标准化管理委员会保叩

GB/T39343-2020

目次

前言…………·”………I

1范围……

2规范性引用文件……

3术语和定义、缩略语

3.1术语和定义

3.2缩略语………·………”……..2

4一般要求……·……”……”……..2

4.1试验环境……·……”……”……..2

4.2试验样品………………·…”……..3

4.3基本原则………·……………”……..3

4.4需求分析……·……”………”……..4

4.5试验准备…“……4

5试验设计…………·…………“……5

5.1硬件设计……………”……..5

5.1.1概述………·……”……”……..5

5.2软件架构…·………………7

5.3软件设计…………＊＊＊*****'…7

6试验过程……………“….11

6.1试验流程“……·……”………·…11

6.2注意事项…·……”…….12

6.3试验判定”…………··………….12

6.4试验中断“……··……”………·…13

6.5试验故障判据……13

6.6故障处理“……··……”………·………….13

6.7试验安全………”……….13

7试验结果处理………”……….13

7.1试验数据记录…·…………·…….13

7.2试验数据分析……14

7.3试验报告“……”…·…14

附录A（资料性附录〉试验场所……·……”………·……16

附录B（资料性附录）宇航用处理器器件单粒子试验报告格式…·……18

GB/T39343-2020

前言

本标准按照GB/T1.12009给出的规则起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

本标准由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会（SAC/TC425）提出并归口。

本标准起草单位z中国航天科技集团有限公司第九研究院第七七一研究所。

本标准主要起草人＝张群、:XJJ洪卫、马振华、李春．

I

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宇航用处理器器件单粒子试验设计与程序

1范围

本标准规定了宇航用处理器器件的单粒子试验设计与程序。

本标准适用于宇航用处理器器件的单粒子试验设计和过程控制，其他领域应用可参照执行。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注目期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本〈包括所有的修改单〉适用于本文件。

GB18871-2002电离辐射防护与辐射源安全基本标准

3术语和定义、缩略语

3.1术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1.1

处理器器件pr悦目sordevice

内部含有处理器的器件，在正常的使用中可取指并执行指令的器件。

3.1.2

单粒子效应singleeventeffects;SEE

描述单粒子事件中的许多效应的术语。

3.1.3

单粒子事件single凹entphenomena;SEP

由单个高能粒子撞击引发的半导体器件一系列响应的统称，包括中子、质子引起的效应。

3.1.4

单粒子翻转singleeventnpset;SEU

单个高能粒子作用于器件，引发器件的逻辑状态改变的一种辐射效应。

3.1.5

单粒子锁定singleeventlatchnp;SEL

单个高能粒子将器件内的可控硅触发开启，形成低电阻、大电流状态。

3.1.6

单粒子功能申断singleev＇四tfnnctionalinterrnpt;SEFI

单个高能粒子作用于器件，使被试器件功能丧失或紊乱，只有通过复位和重新配置才能恢复器件

功能，

3.1.7

线性能量传输tin阳ene咽transfer;LET

粒子沿人射方向在材料中单位长度沉积的能量。

1

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3.1.8

LET阑值thresholdLET

一定比例饱和截面对应的LET值。

3.1.9

有效LETeffectiveLET

离子倾角入射时等效于沿表面法线方向单位长度上沉积的能量。

3.1.10

注量fluence

垂直人射方向单位面积粒子总数，单位为粒子数每平方厘米（n/cm2）。

3.1.11

注量率flux

单位时间内单位面积垂直人射的粒子数，单位为粒子数每平方厘米秒［n/(cm2•s)]"

3.1.12

单粒子事件截面SEPsection

单位注量下的单粒子事件数。

3.1.13

饱和截面saturationcrosss配lion

增加入射粒子的LET值而SEP数不再增加时的单粒子事件截面－

3.1.14

单粒子事件率SEPrate

发生单粒子事件的概率，根据不同空问轨道宇宙射线的粒子种类和粒子数，结合翻转截面和单粒子

事件截面，可计算出特定空间辐射环境下发生单粒子事件的概率。

3.2缩略语

下列缩略语适用于本文件。

OUT待测器件（deviceundertest)

ECC错误检测与修iE(errorcheckingandcorrection)

LET线性能量传输(linerenergytransfer)

MBU多位翻转（multiple-bitupset)

MCU多单元翻转（multiple-cellupset]

PCB印制电器板（printcircuitboard)

SEE单粒子效应（singleeventeffect)

SEFI单粒子功能中断（singleeventfunctionalinterrupt)

SEL单粒子锁定（singleeventlatchup)

SEP单粒子事件（singleeventphenomena)

SET单粒子瞬态（singleeventtransient)

SEU单粒子翻转（singleeventupset)

4一般要求

4.1试验环境

除另有规定外，测量和试验环境条件应满足2

2

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温度：15℃～35℃g

相对湿度，20%～80%。

4.2试验样晶

试验样品应满足以下要求：

a)同一批次产品的试验样品数量应满足单粒子效应的统计学要求。样品电路试验前应进行常温

电参数测试和功能测试，确保电参数合格，功能正常，对器件编号，并按编号记录相关数据。

b）确保粒子可穿透处理器器件的有源区。

c)开盖或减薄过程中做好防机械冲击、防静电等措施。

d)选用未经辐照的样品电路参加试验。

e)记录样品电路的详细信息。

4.3基本原则

4.3.1最恶劣测试条件

处理器器件设计功能复杂，在进行单粒子试验时测试的功能多，可能发生的单粒子效应种类也多。

进行单粒子试验时，处理器应工作在某种特定的应用模式或处于最恶劣条件F，包括作用于处理器的所

有的电参数（供电电压、激励输入、温度、时钟频率等〉和束流条件。处理器的最恶劣测试条件取决于应

用要求和测试的单粒子效应的类型＝

a)SEU，最小工作电压和最高工作频率；

b)SET，最恶劣工作情况或与实际应用相当5

c)SEL：最大工作电压和最高工作温度．

4.3.2束流选择

束流应选择最恶劣测试条件2

a)高能质子SEE测试最恶劣条件是最太质子能量，但建议扫描整个质子能量范围，

b）重离子辐射源SEU、SET、SEFI测试的最恶劣条件是最大束流能量的硅中射程，硅中射程应

不小于30µm;

c)重离子辐射源SEL测试的最恶劣条件是最大束流能量的硅中射程，若不能证明低范围的束流

能量足够产生锁定现象，硅中射程最小为60l-'ffio

4.3.3基本要求

针对不同类型的SEE，设计的基本要求为2

a)SEU

1)分析处理器器件的结构，确定器件的功能模块是否包含寄存器或存储器等双极性单元s

2)测试硬件和软件的设计应可监控功能模块，结合不同模式的写（全“。”、全“1”、检验、随即

模式等），并对发生SEU而受影响的单元进行重写操作z

3)测试软件应能统计翻转的个数、位置和时间，并能区分MCU和MBU"

b)SEL

1)测试软件和硬件应设计完善，可探测和记录锁定现象，并在发生锁定现象时保护器件g

2)发生锁定时，确保锁定保护时间对器件不会产生损坏或退化g

3)软件设计应执行“活跃”时间百分比，即在一种敏感的条件下可以探测SEE的发生，剩余

的“死区”时间可能发生SEE但不可探测，这段时间是软件运行时间，为器件复位、读／写

3

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和记录试验结果的时间p

。在利用束流和SEP计算器件的截面时应考虑活跃时间所占的比例。

c)SET

1)模拟或数模混合器件可能因SEE产生错误的输出或出现瞬态错误；

2)因偏置、输入／输出负载的条件变化会显著影响器件的敏感性和特性，器件应在最恶劣条

件下或应用条件下进行试验g

3)单粒子试验系统应能监测和记录SET，应记录瞬态的极性、波形、持续时间和放大量$

4)为降低SET积累的风险，应控制束流的注量，确保不发生总剂量效应z

5)辐射后的软件分析应能去掉SET积累的影响，或分开分析。

d)SEFI

1)SEFI的敏感性与器件的运行模式有关，处理器器件应运行所有的工作模式来测试实际应

用中可能出现的情况；

2)硬件和软件设计应包含复位功能和通断电功能，可测试和记录SEFI的类型，并对发生的

SEFI纠错。

4.4需求分析

需求分析包括以下内容g

a)分析参加试验的处理器器件的设计功能和制造工艺，研究器件敏感性，确定器件发生SEE的

种类，并根据测试基本原则，确定单粒子试验系统设计中软硬件的注意事项，给出每一个功能

模块的设计原则和测试方法g

b）根据处理器器件敏感性分析结果，结合试验场所提供的粒子源特点，确定试验中使用的粒子

种类P

c)根据处理器器件的特点和SEE试验中选用的粒子，分析试验过程中可能出现的SEE种类、

SEE现象的判定及应急处理预案。

4.5试验准备

4.5.1试验人员

试验人员应经过上岗培训，了解测试设备使用方法，具有紧急事件b处理能力a具体要求如下s

a)熟悉器件设计原理，可从理论角度提供器件在辐照试验过程中突发状况的解决方法s

b)熟知器件工作状态，可确定辐照试验中剂量率对器件的影响，决定试验进度；

。了解试验环境，包括试验场所、试验环境搭建、试验板操作等。

4.5.2试验设备

试验前，测试人员、试验人员和检验人员应确认试验产品状态正确，试验设备状态正确，并在计量检

定期内，测试软件版本正确。

4.5.3试验种类

单粒子试验根据所处环境可分为大气试验和真空试验。

大气试验通过束流引出窗将束流引到窗外，在大气环境下的定位辐照台上进行测试。在大气试验

中将测试板L形两边固定在辐照台上。

真空试验是将测试板先放入真空罐中进行真空预抽，预抽完成后通过移动真空罐中的测试架对测

试板定位辐照，经节省抽真空时间以提高测试效率a在真空试验中，由试验场所提供样品架，将多个试

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验板固定在样品架上，一次性放进真空罐中。

试验板结构设计应满足试验场所的尺寸要求。试验场所相关要求可参照附录Ao

5试验设计

5.1硬件设计

5.1.1概述

硬件设计包含单粒子试验系统集成、单粒子试验板设计、供电设计、试验板结构、布局布线、外观、接

口、器件选型等。

5.1.2试验系统集成

单粒子试验系统由远程计算机、控制计算机、电源控制、通信控制、单粒子试验板等组成。可在单粒

子试验环境下为处理器器件提供测试平台，监控整个试验流程，对参加试验的处理器进行全面的测试和

评估，并对试验结果实时处理或保存试验数据，为处理器器件的抗辐照性能评估提供基础。

5.1.3试验扳设计

针对处理器器件的单粒子试验，测试方法主要选择辅助测试法，即在设计时应由另外一片主控器件

控制测试过程，并将测试结果回传至控制端。在设计处理器器件的单粒子试验板时，应集成被测处理器

器件最小系统和主控器件最小系统，在主控器件与被测器件之间建立通信链路，实现对试验过程的控制

和测试结果的管理等功能。

主控器件选择集成通信接口器件，数据率可满足控制信号发送、控制状态返回和测试数据回传等功

能，可选择抗辐照器件。

5.1.4供电设计

单粒子试验板供电设计应考虑如下因素g

a)进行SEU试验时，被测处理器器件因辐照影响而产生功耗波动，易引发大电流现象，被测处理

器器件与最小系统中其他元器件应分开供电，可实时监控被测处理器器件劝耗情况z

b）在进行SEU试验时，应考虑不周电压偏置对试验结果的影响，采取正常供电与拉偏供电可选

设计，可在板级电源供电设计中采用多选通控制，以满足不同条件下的测试需求s

。在进行SEL试验时，器件发生锁定时将出现瞬态大电流现象，为顺利完成试验，并确保不对被

测处理器器件造成损坏，可在单独供电、拉偏供电等基础上进行过流保护设计s

d)针对处理器多电源域情况，可设计电流采样电路，实时回传电流采样数据，实现对不同电源域

功耗实时监控s

e)针对不同处理器器件和不同电源域，应预留监测点，供调试和监测z

。为减少潜通路风险，主控器件、被测处理器器件等不同电源域应采取隔离设计，并隔离选通主

控器件与被测处理器器件之间的通信接口g

g）随着处理器器件工作电压降低，建议整板输入一种电压，利用DC/DC变换满足不同供电

需求。

5.1.5试验板结构

5.1.5.1通用要求

单粒子试验板结构设计应满足以下通用要求z

5

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a)单粒子试验板边缘10mm内不应布线和放置元器件s

b)被测器件正面周围10mm之内不应放置其他元器件s

c)若在一块试验板上放置多只被测处理器器件或插座之间的间距应不小于20mmo

5.1.5.2串列静电加速器试验板结构要求

对于串列静电加速器试验环境，试验板结构的特殊要求如-r.

a)为将多个试验板堆叠一次性放进真空罐，试验板边缘应设计安装于L;

b）试验板堆叠后，通信或供电接口的接插件应在单粒子试验板的一个边沿出线p

c)堆叠试验板时，为使上面试验板不遮挡下面的被测处理器器件，设计试验板时器件布局应规

则，且靠近试验板边沿g

d）试验板的堆叠高度不应高于450mm，试验板上的元器件、插座或接插件高度应小于25mmo

5.1.5.3回旋加速器试验板结构要求

对于回旋加速器试验环墟，试验板结构的特殊要求为z

单粒子试验板单板尺寸应不大于235mm×250mm，厚度不超过30mmo

5.1.6试验板布局布线

为增强单粒子试验板稳定性，并满足试验中供电、通信、监控、功能测试等需求，单粒子试验板布局

布线应满足如下要求z

a)距离单