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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-02-23 19:04
隨著民用航天和衛(wèi)星通訊向民用方向發(fā)展，一些此前只在航空航天或軍工才需關(guān)注的問題也被當(dāng)做一個(gè)“新問題”擺在了民營/私營企業(yè)的面前。筆者作為多年的老軍工行業(yè)可靠性從業(yè)者，對輻射導(dǎo)致芯片失效的機(jī)理略知一二，今天就簡單的做一個(gè)科普性質(zhì)的講解。
講這個(gè)課題之前，我們先來了解一下這個(gè)協(xié)議——《瓦森納協(xié)議》（Wassenaar Arrangement）。這是一個(gè)國際多邊出口控制機(jī)制，旨在防止常規(guī)武器和軍民兩用物品（包括某些高技術(shù)產(chǎn)品）的擴(kuò)散。雖然《瓦森納協(xié)議》主要針對的是軍事和軍民兩用技術(shù)，但它確實(shí)可能間接影響商用半導(dǎo)體器件的規(guī)格書內(nèi)容，尤其是涉及耐輻射性能的部分。
《瓦森納協(xié)議》與耐輻射指標(biāo)的關(guān)系
耐輻射器件的軍民兩用性質(zhì)
耐輻射半導(dǎo)體器件通常用于航天、核工業(yè)等高端領(lǐng)域，這些領(lǐng)域與軍事應(yīng)用有較高的重疊性（如衛(wèi)星、導(dǎo)彈、核設(shè)施等）。根據(jù)《瓦森納協(xié)議》，某些耐輻射技術(shù)可能被視為軍民兩用技術(shù)，受到出口管制。
規(guī)格書中的限制
如果商用半導(dǎo)體器件在規(guī)格書中明確標(biāo)注耐輻射指標(biāo)，可能會被視為具備軍民兩用潛力，從而受到《瓦森納協(xié)議》的出口管制——為了避免被列入管制清單，供應(yīng)商通常不在規(guī)格書中明確承諾耐輻射性能。
技術(shù)保密與合規(guī)
耐輻射設(shè)計(jì)涉及特殊材料、工藝和測試方法，這些技術(shù)可能被視為敏感技術(shù)。
供應(yīng)商為了避免技術(shù)泄露或違反出口管制法規(guī)，通常會選擇不公開耐輻射性能。
其他相關(guān)協(xié)議與法規(guī)
除了《瓦森納協(xié)議》，還有一些其他國際協(xié)議和法規(guī)影響耐輻射指標(biāo)的標(biāo)注：
國際武器貿(mào)易條例（ITAR）
美國《國際武器貿(mào)易條例》對軍事和航天相關(guān)技術(shù)的出口有嚴(yán)格限制。如果耐輻射器件被認(rèn)為與軍事或航天相關(guān)，其出口可能受到ITAR管制。
出口管制分類號（ECCN）
在美國出口管制體系中，某些耐輻射半導(dǎo)體器件可能被歸類為特定的ECCN編號，從而受到出口限制。供應(yīng)商為了避免復(fù)雜的出口審批流程，可能選擇不公開耐輻射性能。
國家安全的考慮
各國政府對涉及國家安全的技術(shù)（如耐輻射器件）有嚴(yán)格的管控措施。供應(yīng)商為了避免觸犯國家安全法規(guī)，通常會對耐輻射性能保持謹(jǐn)慎態(tài)度。
商用器件供應(yīng)商的應(yīng)對策略
模糊化處理
在規(guī)格書中避免明確提及耐輻射性能，而是使用更通用的描述（如“高可靠性”或“適用于惡劣環(huán)境”）。
定制化服務(wù)
對于需要耐輻射器件的客戶（如航天公司），供應(yīng)商通常通過定制化協(xié)議提供相關(guān)產(chǎn)品，而不在公開規(guī)格書中標(biāo)注。
技術(shù)分級
將耐輻射技術(shù)分為不同等級，僅對經(jīng)過認(rèn)證的客戶提供高端耐輻射器件，避免技術(shù)擴(kuò)散。
以德州儀器為例，其在官網(wǎng)對器件進(jìn)行了細(xì)致的分級
4.使用方自行認(rèn)證耐輻射能力
使用方自己進(jìn)行輻射認(rèn)證，確認(rèn)芯片的耐輻射能力，但是該認(rèn)證在存在較大的批次差異，比如批次間氧化層厚度的波動(dòng)就會導(dǎo)致較大的耐輻射能力差異。
X射線輻射導(dǎo)致半導(dǎo)體器件的失效機(jī)理
1、電離效應(yīng)（Ionization Effects）
原理：X射線光子能量較高，將半導(dǎo)體材料中的原子電離，產(chǎn)生大量電子-空穴對。
影響：在絕緣層（如SiO?）中，電離產(chǎn)生的電子-空穴對會分離，電子遷移率較高，迅速被掃出，而空穴則可能被陷阱捕獲，形成正電荷積累。在半導(dǎo)體材料中，電離效應(yīng)會增加載流子濃度，導(dǎo)致漏電流增大，器件性能退化。
失效表現(xiàn)：
a、閾值電壓漂移（Threshold Voltage Shift）。
b、漏電流增加，功耗上升。
c、器件參數(shù)不穩(wěn)定。
2、位移損傷（Displacement Damage）
原理：高能X射線光子與半導(dǎo)體晶格原子碰撞，使原子脫離晶格位置，形成空位-間隙原子對（Frenkel缺陷）。
影響：晶格缺陷會引入深能級陷阱，影響載流子的產(chǎn)生和復(fù)合；導(dǎo)致載流子壽命降低，遷移率下降。
失效表現(xiàn)：
a、器件電學(xué)性能退化，如增益下降、漏電流增加。
b、長期累積可能導(dǎo)致器件完全失效。
3、界面態(tài)生成（Interface State Generation）
原理：X射線輻射在半導(dǎo)體與絕緣層（如Si/SiO?界面）處產(chǎn)生缺陷態(tài)。
影響：界面態(tài)會捕獲載流子，降低載流子遷移率；導(dǎo)致器件跨導(dǎo)下降，開關(guān)速度變慢。
失效表現(xiàn)：
a、MOSFET的跨導(dǎo)（Transconductance）降低。
b、器件響應(yīng)速度變慢。
4、電荷積累（Charge Trapping）
原理：X射線在絕緣層（如SiO?）中產(chǎn)生電子-空穴對，空穴被陷阱捕獲，形成正電荷積累。
影響：正電荷積累會改變器件的電場分布，導(dǎo)致閾值電壓漂移；長期積累可能導(dǎo)致絕緣層擊穿。
失效表現(xiàn)：
a、閾值電壓漂移，器件工作點(diǎn)改變。
b、嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致絕緣層擊穿，器件完全失效。
5、單粒子效應(yīng)（Single Event Effects, SEE）
原理：雖然X射線不直接引起單粒子效應(yīng)，但在高能輻射環(huán)境下，X射線可能與其他輻射（如γ射線）共同作用，導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）或單粒子燒毀（SEB）。
影響：導(dǎo)致存儲單元數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如DRAM、SRAM）；功率器件可能發(fā)生燒毀。
失效表現(xiàn)：
a、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失。
b、器件永久性損壞。
X射線輻射主要通過電離效應(yīng)、位移損傷、界面態(tài)生成和電荷積累等機(jī)理導(dǎo)致半導(dǎo)體器件失效。這些效應(yīng)會引起器件參數(shù)漂移、性能退化，甚至永久性損壞。理解這些失效機(jī)理有助于設(shè)計(jì)抗輻射器件和采取有效的防護(hù)措施。
近幾年，隨著民用產(chǎn)品越來越復(fù)雜，在PCBA生產(chǎn)完后需要進(jìn)行X射線檢查是否存在虛焊/空焊的情況。一塊稍微復(fù)雜一點(diǎn)的PCBA進(jìn)行該檢查時(shí)需要接受大于100Krad的輻射劑量，所以即使用在低空無輻射的產(chǎn)品在生產(chǎn)時(shí)也會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)輻射導(dǎo)致器件失效的情況。
針對這個(gè)問題，X射線檢查設(shè)備廠商也進(jìn)行了相關(guān)研究并提供了一些解決方案：在保證X射線圖像質(zhì)量的前提下，使用擋片進(jìn)行輻射屏蔽，減少輻射劑量。
經(jīng)研究，在低能量下，特別是低于20keV的輻射能量會被樣品吸收，這些能量會增加樣品的輻射劑量，但不能穿過樣品到達(dá)X射線探測器，探測器對低于約20keV的X射線不敏感，無法利用這些能量進(jìn)行成像。因此將低于20keV的輻射能量屏蔽后會顯著減少樣品的輻射吸收劑量（80%）且不影響圖像成像質(zhì)量。
經(jīng)驗(yàn)：Zn材料濾波片可以屏蔽80%以上的輻射，且不影響成像質(zhì)量。
實(shí)際應(yīng)用，可在X射線源前加濾波片，如果是倒置式的（即X射線源）在底部，可在托盤中增加濾波層。
來源：Top Gun實(shí)驗(yàn)室
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