*附件：ASM1042單粒子效應脈沖激光報告.pdf

一、引言

隨著航天、工業自動化等領域的快速發展，通信芯片在各種復雜環境下的可靠性變得至關重要。單粒子效應（Single Event Effect,SEE）是空間輻射環境中影響半導體器件性能的重要因素之一。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-rate）芯片作為一種廣泛應用于高可靠通信系統的芯片，其抗單粒子效應能力的評估對于保障系統穩定運行具有重要意義。本文以SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A型CANFD芯片為例，基于單粒子效應脈沖激光試驗報告和相關數據手冊，對這些芯片的單粒子效應特性進行詳細對比分析。

二、單粒子效應概述

單粒子效應是指高能粒子（如質子、重離子等）在穿過半導體器件時，可能引起器件內部電荷產生和收集，從而導致器件性能異常的現象。根據效應類型的不同，單粒子效應可以分為單粒子鎖定（Single Event Latch-up,SEL）、單粒子翻轉（Single Event Upset,SEU）、單粒子功能中斷（Single Event Functional Interrupt,SEFI）等。其中，SEL是由于高能粒子在器件內部產生大量電荷，導致器件內部寄生雙極型晶體管導通，形成低阻通路，使器件功耗急劇增加，甚至損壞；SEU是指高能粒子在器件內部產生電荷，導致存儲單元或邏輯狀態發生翻轉；SEFI是指高能粒子引起器件內部邏輯功能異常，導致器件無法正常工作。

三、試驗方法與條件

（一）試驗方法

本次試驗采用皮秒脈沖激光單粒子效應試驗裝置，通過激光正面輻照試驗方法對芯片進行測試。試驗中利用不同線性能量傳輸（Linear Energy Transfer,LET）范圍值的等效激光能量對芯片進行輻照，以評估其抗單粒子效應能力。試驗過程中，通過控制激光的注量、能量等參數，觀察芯片在不同條件下的工作狀態變化，并記錄相關數據。

（二）試驗條件

試驗在中關村B481的脈沖激光單粒子效應實驗室進行，實驗室環境溫度為24℃，濕度為42%RH。試驗設備包括皮秒脈沖激光器、光路調節和聚焦設備、三維移動臺、CCD攝像機和控制計算機等。試驗樣品為SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A型CANFD芯片，這些芯片均采用BCD工藝，工作電壓為5V，封裝類型分別為SOIC和DIP。

四、芯片特性概述

（一）SIT1042AQ芯片

SIT1042AQ是一款工業級的CANFD通信接口芯片，芯片大小為2800μm×1600μm，工作電流為24mA。該芯片支持5Mbps的數據速率，具有較短的對稱傳播延遲時間和快速循環次數，能夠在有負載的CAN網絡中實現更快的數據速率。此外，它還具備IECESD保護高達±15kV、總線故障保護±58V等多種保護特性。

（二）TCAN1042HGVD芯片

TCAN1042HGVD是一款汽車級的CANFD通信接口芯片，芯片大小為2000μm×1300μm，工作電流為22mA。該芯片同樣支持5Mbps的數據速率，并且在EMC性能方面表現出色，支持SAEJ2962-2和IEC62228-3（最高500kbps）無需共模扼流圈。它還具備總線故障保護±70V、VCC和VIO電源終端欠壓保護等特性。

（三）ASM1042A芯片

ASM1042A是一款企業宇航級的CANFD通信接口芯片，芯片大小為2800μm×1300μm，工作電流為20mA。該芯片通過AEC-Q100Grade1認證，符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理層標準。它支持5Mbps的數據速率，具有低功耗待機模式及遠程喚醒請求特性，并且具備多種保護特性，如IECESD保護高達±15kV、總線故障保護±70V（H型號）、VCC和VIO（僅限V型號）電源終端欠壓保護等。

五、單粒子效應試驗結果分析

（一）SIT1042AQ芯片

在5V的工作條件下，SIT1042AQ芯片利用激光能量為120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始進行全芯片掃描，未出現單粒子效應。當能量提升至920pJ（對應LET值為（37.5±9.25）MeV·cm2/mg）時，監測到芯片發生了單粒子鎖定（SEL）現象。這表明SIT1042AQ芯片在較低的LET值下能夠正常工作，但在較高的LET值下容易受到單粒子效應的影響，導致器件內部寄生雙極型晶體管導通，形成低阻通路，使器件功耗急劇增加，甚至損壞。從數據手冊中可知，該芯片的SEL閾值為≥75MeV·cm2/mg（企業宇航級），本次試驗結果與數據手冊中的指標存在一定差距，這可能是由于試驗條件、芯片個體差異等因素導致的。

（二）TCAN1042HGVD芯片

TCAN1042HGVD芯片在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始進行全芯片掃描，未出現單粒子效應。當能量提升至610pJ（對應LET值為（25±6.25）MeV·cm2/mg）時，監測到芯片發生了單粒子功能中斷（SEFI）現象，繼續將能量提升至920pJ（對應LET值為（37±9.25）MeV·cm2/mg）時，監測到芯片發生了單粒子鎖定（SEL）現象。這說明TCAN1042HGVD芯片在中等LET值下就可能出現SEFI故障，導致器件內部邏輯功能異常，無法正常工作，而在較高的LET值下也會發生SEL故障。與SIT1042AQ芯片相比，TCAN1042HGVD芯片在單粒子效應方面表現出更高的敏感性，尤其是在SEFI故障方面。這種差異可能與芯片的內部電路結構、制造工藝等因素有關。

（三）ASM1042A芯片

ASM1042A芯片在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始進行全芯片掃描，未出現單粒子效應。即使在能量提升至3050pJ（對應LET值為（100±25）MeV·cm2/mg）時，也未出現單粒子效應。這表明ASM1042A芯片具有較強的抗單粒子效應能力，在較高的LET值下仍能保持正常工作。根據數據手冊，ASM1042A芯片的SEL閾值為≥75MeV·cm2/mg（企業宇航級），本次試驗結果表明其實際抗單粒子效應能力可能遠高于此閾值。這可能得益于其在設計和制造過程中采取的多種抗輻射加固措施，如優化的電路布局、增強的保護特性等。

六、單粒子效應影響因素分析

（一）芯片工藝

芯片工藝對單粒子效應的影響主要體現在器件內部結構和材料特性上。SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A芯片均采用BCD工藝，這種工藝在一定程度上能夠提高芯片的抗單粒子效應能力。然而，不同的芯片在工藝細節上可能存在差異，如摻雜濃度、晶體管尺寸等，這些差異會影響芯片對單粒子效應的敏感性。例如，較高的摻雜濃度可能會增加器件內部電荷的產生和收集，從而提高芯片對單粒子效應的敏感性；而較小的晶體管尺寸可能會降低器件的抗單粒子效應能力，因為較小的器件更容易受到高能粒子的穿透和影響。

（二）芯片結構

芯片的內部電路結構對其抗單粒子效應能力也有重要影響。SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A芯片雖然都屬于CANFD通信接口芯片，但它們的內部電路結構可能存在不同。例如，不同的芯片可能采用不同的邏輯電路設計、存儲單元結構等。邏輯電路設計會影響芯片在受到單粒子效應時的邏輯功能表現，復雜的邏輯電路可能會更容易出現SEFI故障；而存儲單元結構則會影響芯片對SEU的敏感性，采用冗余設計或糾錯編碼的存儲單元能夠提高芯片的抗SEU能力。

（三）工作條件

芯片的工作條件，如工作電壓、工作電流等，也會對其抗單粒子效應能力產生影響。在本次試驗中，所有芯片均在5V的工作電壓下進行測試。一般來說，較高的工作電壓可能會增加芯片內部電場強度，從而提高芯片對單粒子效應的敏感性。而工作電流則會影響芯片的功耗和散熱情況，較大的工作電流可能會導致芯片在受到單粒子效應時更容易出現SEL故障，因為較大的功耗會使芯片內部溫度升高，進一步加劇器件內部寄生雙極型晶體管的導通。

七、單粒子效應防護措施

（一）硬件防護

硬件防護措施主要包括采用抗輻射加固器件、優化電路布局、增加屏蔽材料等。抗輻射加固器件是通過特殊的制造工藝和設計方法，提高器件的抗單粒子效應能力。例如，采用深亞微米工藝制造的器件，其晶體管尺寸較小，能夠減少高能粒子的穿透概率；而采用多晶硅柵極結構的器件，則能夠提高器件的抗電離輻射能力。優化電路布局可以減少高能粒子對關鍵電路的影響，例如將存儲單元和邏輯電路分開布局，可以降低SEU和SEFI故障的發生概率。增加屏蔽材料可以有效阻擋高能粒子的穿透，例如在芯片表面增加一層金屬屏蔽層，能夠減少高能粒子對芯片內部的影響。

（二）軟件防護

軟件防護措施主要包括采用冗余設計、糾錯編碼、故障檢測與恢復等方法。冗余設計是指在系統中增加多個相同的芯片或電路模塊，當其中一個芯片或模塊受到單粒子效應影響而出現故障時，其他芯片或模塊可以繼續正常工作，從而提高系統的可靠性。糾錯編碼是一種在數據存儲和傳輸過程中檢測和糾正錯誤的方法，通過在數據中添加冗余信息，可以檢測和糾正由于SEU等單粒子效應引起的錯誤。故障檢測與恢復是指通過軟件程序檢測芯片是否出現故障，并在出現故障時采取相應的恢復措施，例如重新啟動芯片、清除錯誤狀態等。

八、結論

通過對SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A型CANFD芯片的單粒子效應脈沖激光試驗結果進行對比分析，可以得出以下結論：

不同型號的CANFD芯片在抗單粒子效應能力上存在顯著差異。SIT1042AQ芯片在較低的LET值下能夠正常工作，但在較高的LET值下容易出現SEL故障；TCAN1042HGVD芯片在中等LET值下就可能出現SEFI故障，而在較高的LET值下也會發生SEL故障；ASM1042A芯片則具有較強的抗單粒子效應能力，在較高的LET值下仍能保持正常工作。

芯片工藝、芯片結構和工作條件等因素對單粒子效應的影響較大。不同的芯片工藝和結構會導致芯片對單粒子效應的敏感性不同，而工作條件的變化也會影響芯片的抗單粒子效應能力。為了提高芯片的抗單粒子效應能力，可以采取硬件防護和軟件防護措施。硬件防護措施包括采用抗輻射加固器件、優化電路布局、增加屏蔽材料等；軟件防護措施包括采用冗余設計、糾錯編碼、故障檢測與恢復等方法。

綜上所述，對于需要在復雜環境下工作的CANFD芯片，應根據其應用場景和可靠性要求，選擇合適的芯片型號，并采取相應的防護措施，以提高系統的抗單粒子效應能力，確保系統的穩定可靠運行。同時，進一步的研究和開發工作也應致力于提高芯片的抗單粒子效應能力，以滿足日益增長的高可靠通信需求。

審核編輯 黃宇