质子试验：守护芯片安全的关键防线

一、引言

芯片作为现代电子设备的核心部件，其安全性在航空航天、卫星通信、军事装备等特殊领域至关重要。空间辐射环境中的质子对芯片的影响不容小觑，质子试验作为一种重要的研究手段，对于评估和保障芯片在空间环境中的安全性具有不可或缺的作用。

二、空间辐射环境及质子的特点

（一）空间辐射环境概述

空间辐射环境复杂多样，主要包括银河宇宙射线、太阳宇宙射线、地球辐射带粒子等。这些高能粒子会对航天器及其电子设备产生不同程度的影响，其中质子是空间辐射环境中的主要组成部分之一。

（二）质子的特点

质子具有较高的电离密度和穿透能力，能够在芯片内部引发一系列复杂的物理效应。其能量范围较广，在不同的空间环境和应用场景中，质子的能量分布也有所差异，从几兆电子伏特到几百兆电子伏特甚至更高。

三、质子试验在芯片安全中的作用

（一）评估芯片抗辐射能力

总剂量效应评估 ：质子辐射会对芯片产生累积的总剂量效应，导致芯片的性能参数发生变化，如漏电流增加、阈值电压漂移、载流子迁移率下降等。通过质子试验，可以精确测量芯片在不同质子注量和能量条件下的总剂量效应，从而确定芯片的抗总剂量辐射能力，为芯片在空间环境中的长期可靠性评估提供关键数据。

单粒子效应评估 ：质子可能引发芯片的单粒子效应，包括单粒子翻转、单粒子门控、单粒子烧毁等。例如，在地球轨道高度1000km-11000km之间，FPGA的单粒子翻转概率较高。某卫星数传综合处理器在轨工作时，地面接收到的数据多次出现异常，经研究发现是FPGA受到空间单粒子效应的影响，最终确定单粒子翻转率为0.03Upsets/device·day。

（二）揭示芯片辐射损伤机理

电离效应研究 ：质子在芯片内部穿越时，会与原子发生电离碰撞，产生大量的电子-空穴对。这些额外的载流子会影响芯片的电学性能，如导致CMOS传感器的暗信号增加、存储器的比特翻转等。国科安芯通过辐射效应测试与建模，准确评估芯片在不同辐射环境下的性能变化，为芯片的抗辐射设计改进提供科学依据。在测试中发现芯片在特定辐射条件下的单粒子翻转与单粒子锁定产生概率，并针对性地优化芯片的抗辐射能力。

位移效应研究 ：质子与芯片中的原子发生弹性碰撞时，会使原子离开其原来的晶格位置，形成空位、间隙原子等缺陷，即位移效应。这些缺陷会在芯片材料中引入应力，改变其电学、光学等特性，进而影响芯片的性能和可靠性。例如，位移效应可能导致晶体管的迁移率降低、二极管的反向漏电流增加等。质子试验有助于定量研究位移效应对芯片的损伤程度，了解位移损伤与质子能量、注量以及芯片材料和工艺的关系，为芯片的抗位移效应设计和改进提供理论支持。

（三）优化芯片设计与制造工艺

指导芯片版图设计 ：根据质子试验结果，了解芯片在质子辐射下的薄弱环节和敏感区域，如存储单元、逻辑门、互连线等。在芯片版图设计阶段，可以针对性地采取优化措施，如增加屏蔽结构、调整器件布局、增大关键节点的尺寸等，以提高芯片的抗辐射能力，降低质子对芯片功能和性能的影响。

改进制造工艺 ：质子试验可以发现芯片制造工艺中的潜在问题，如某些工艺步骤对辐射的敏感性、材料的纯度和缺陷密度对芯片抗辐射性能的影响等。通过与工艺研发部门的紧密合作，改进芯片的制造工艺，如优化离子注入参数、选择更抗辐射的材料、提高晶体生长质量等，可以从本质上提升芯片的抗辐射能力，减少质子辐射带来的损伤。

（四）助力芯片筛选与质量控制

建立筛选标准 ：质子试验数据可以用于建立芯片抗辐射性能的筛选标准和规范。通过对不同批次、不同型号芯片进行质子试验，确定其在特定质子辐射条件下的性能变化范围和失效阈值，从而为芯片的筛选提供量化依据。在芯片采购和使用前，依据筛选标准对芯片进行质量控制，确保所选用的芯片具备足够的抗辐射能力，满足空间应用等苛刻环境的要求。

质量一致性评估 ：在芯片生产过程中，质子试验可以帮助评估芯片质量的一致性。由于芯片制造过程中的微小差异可能导致芯片抗辐射性能的差异，通过定期对生产线上抽检的芯片进行质子试验，可以及时发现和控制芯片质量的波动，保证芯片在抗辐射性能方面的稳定性和可靠性，提高整个芯片批次的质量水平。

四、质子试验的方法与技术

（一）试验设备与装置

质子加速器 ：质子加速器是产生高能质子束的主要设备，常见的有回旋加速器、直线加速器等。回旋加速器能够产生较高能量的质子束，能量范围通常在几十兆电子伏特到几百兆电子伏特之间，且束流强度较大，适合进行大规模的质子试验。直线加速器则具有加速距离短、能量可调范围宽等特点，在一些特定的能量范围内也能为质子试验提供优质的质子束。

辐射靶室与束流准直系统 ：辐射靶室是进行质子试验的场所，需要具备良好的真空环境和辐射屏蔽能力，以确保试验的安全性和准确性。束流准直系统用于将加速器产生的质子束进行聚焦、准直和能量选择，使质子束以合适的尺寸、方向和能量照射到待测芯片上，提高试验的精度和效率。

剂量监测与测量设备 ：在质子试验过程中，准确测量质子的剂量是至关重要的。常用的剂量监测设备包括半导体剂量计、热释光剂量计、电离室等。这些设备可以实时监测质子束的注量、能量分布等参数，为试验提供精确的剂量数据，确保试验结果的可靠性。

（二）试验样品准备

芯片封装形式选择 ：根据试验目的和芯片的实际应用情况，可以选择不同封装形式的芯片进行质子试验。对于一些需要研究芯片内部结构和器件特性与质子相互作用关系的试验，通常采用裸芯片形式，以便更直接地观察和分析质子对芯片的影响。而在评估芯片在实际应用中的抗辐射性能时，则可以采用与实际使用相同的封装形式，如塑料封装、陶瓷封装等，以考虑封装材料对质子辐射的屏蔽效应和二次效应。

样品数量与代表性 ：为了获得具有统计意义的试验结果，需要合理确定样品数量。一般情况下，样品数量越多，试验结果的可靠性越高，但同时也增加了试验成本和工作量。因此，在确定样品数量时，需要综合考虑试验目的、芯片的重要性和可用资源等因素。同时，要确保所选样品能够代表同一批次或同一种类的芯片，避免因样品的个体差异而影响试验结果的普遍性和适用性。

（三）试验条件与参数设置

质子能量选择 ：根据芯片的实际应用轨道和空间环境特点，选择合适的质子能量范围进行试验。不同的轨道高度和地理位置的空间辐射环境中的质子能量分布存在差异，例如，在低地球轨道（LEO）环境中，质子能量主要集中在几十兆电子伏特以下，而在地球同步轨道（GEO）和深空探测环境中，质子能量则可能达到几百兆电子伏特甚至更高。因此，为了模拟真实的空间辐射环境，需要针对具体的芯片应用轨道，参考相关的空间环境模型和数据，确定质子试验的能量范围和能量分布。

注量率与总注量设置 ：注量率是指单位时间内质子照射到芯片上的数量，总注量则是指整个试验过程中芯片所承受的质子总数量。在质子试验中，合理设置注量率和总注量是关键。一方面，注量率应尽量接近空间环境中的实际注量率，以便更准确地模拟芯片在轨运行时的辐射环境和损伤积累过程。另一方面，总注量应根据芯片的预期使用寿命和空间任务的要求来确定，确保试验后的芯片性能变化能够反映其在整个寿命周期内的抗辐射能力。通常，可以通过调整质子加速器的束流强度和照射时间来实现对注量率和总注量的精确控制。

温度与偏置条件控制 ：芯片在工作过程中的温度和偏置条件对其性能和抗辐射能力有重要影响。在质子试验中，需要根据芯片的实际工作场景，设置相应的温度和偏置条件，以模拟芯片在真实应用环境中的工作状态。例如，在一些航天器电子系统中，芯片可能在低温、低功耗模式下工作，而在另一些情况下，则可能需要在高温、高功耗条件下运行。通过精确控制试验环境的温度和对芯片施加不同的工作偏置，可以研究芯片在不同工作状态下的抗辐射性能变化，为芯片的可靠性和安全性评估提供更全面的数据支持。

（四）试验过程与数据采集

试验步骤 ：在质子试验开始前，首先需要对试验设备进行调试和校准，确保质子束的各项参数符合试验要求。然后，将准备好的芯片样品安装在辐射靶室内的样品架上，并连接好相关的电学测试引线和信号采集设备。接着，按照预定的试验条件，启动质子加速器，将质子束照射到芯片样品上，同时实时监测质子束的剂量、能量等参数，并记录芯片在辐射过程中的电学性能变化情况，如电流、电压、逻辑状态等。

数据采集与分析方法 ：在质子试验过程中，采用高精度的数据采集系统对芯片的各项性能参数进行实时采集和记录。数据采集的频率和精度应根据芯片的特性和试验要求进行合理设置，以确保能够准确捕捉到芯片在辐射过程中的细微变化。同时，结合试验前对芯片性能的测试结果，对采集到的数据进行详细的分析和处理，提取关键信息，如芯片的阈值电压漂移量、漏电流增加量、单粒子效应发生率等。通过对这些数据的分析，可以评估芯片在质子辐射下的性能退化程度和抗辐射能力，揭示质子辐射对芯片的影响规律和损伤机理。

五、质子试验在芯片安全领域的应用实例

（一）航天芯片应用

在航天领域，芯片需要面对严苛的空间辐射环境，质子试验对于确保航天芯片的安全性和可靠性具有至关重要的作用。例如，在卫星通信系统中，卫星上的处理器芯片、存储器芯片、图像传感器芯片等都需要经过严格的质子试验评估。通过对这些芯片进行质子试验，研究人员发现，质子辐射会导致卫星处理器芯片的逻辑电路出现单粒子翻转现象，从而引起数据传输错误、指令执行错误等问题，影响卫星的正常运行。针对这一问题，通过优化芯片的设计和制造工艺，如采用抗单粒子效应的错误检测与纠正（EDAC）技术、冗余设计等，可以显著提高卫星处理器芯片的抗质子辐射能力，降低单粒子翻转的发生率，确保卫星通信系统的稳定性和可靠性。

（二）高能物理实验设备芯片应用

在高能物理实验中，大量的探测器芯片和电子学芯片用于探测和记录高能粒子的相互作用过程。这些芯片需要在高能质子束等强辐射环境下长期稳定工作。质子试验在评估和优化这些芯片的性能方面发挥了重要作用。例如，在大型强子对撞机（LHC）实验中，对探测器芯片进行了系统的质子试验，研究了质子辐射对芯片的电学性能、探测效率、信号读出等方面的影响。试验结果表明，质子辐射会使探测器芯片的噪声水平升高、探测效率下降，并且在高注量下可能导致芯片的永久性损坏。基于质子试验结果，研究人员对探测器芯片进行了改进和加固设计，如采用更抗辐射的半导体材料、优化芯片的几何结构、增加辐射屏蔽等措施，提高了探测器芯片在高能物理实验中的抗辐射能力和可靠性，确保了实验数据的准确获取和科学价值的最大化。

（三）军事装备芯片应用

在军事装备领域，芯片的安全性和可靠性直接关系到武器系统的性能和作战效能。质子试验对于军事芯片的抗辐射加固和安全性评估具有重要意义。例如，在导弹防御系统中，拦截导弹上的制导芯片需要在复杂的辐射环境下准确地完成目标识别、跟踪和制导任务。质子试验可以模拟战场环境中可能出现的核辐射效应以及空间辐射环境对制导芯片的影响，通过对芯片进行质子试验，发现其在质子辐射下的潜在弱点和故障模式，如芯片的模拟电路部分对质子辐射的敏感性较高，容易导致信号失真、增益变化等问题，影响制导系统的精度和可靠性。针对这些问题，采取相应的抗辐射措施，如对模拟电路进行屏蔽设计、采用抗辐射的元器件替代等，可以提高制导芯片的抗辐射能力，增强导弹防御系统的作战效能和可靠性。

六、结论

质子试验在芯片安全领域具有不可替代的重要作用。通过开展系统的质子试验研究，可以全面评估芯片在空间辐射环境中的抗辐射性能，深入揭示质子辐射对芯片的损伤机理，为芯片的设计优化、制造工艺改进、筛选与质量控制提供有力的技术支持。在航空航天、高能物理实验、军事装备等对芯片安全性要求极高的领域，质子试验的应用实例充分证明了其对于保障芯片安全、提高系统可靠性的重要价值。随着微电子技术的不断发展和空间探索等领域的深入拓展，质子试验技术也将不断创新和完善，为芯片安全保驾护航，推动相关领域的持续发展。

审核编辑 黄宇