摘 要： 空間輻射環(huán)境會對電子器件產(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)力實驗的方法，研究了集成電路抗輻射性能無損篩選技術(shù)。通過不同的外界能量注入及總劑量輻照實驗，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)測電路抗輻射性能的多元線性回歸方程，并對應(yīng)力條件下的回歸方程進行輻照實驗驗證。結(jié)果顯示，物理應(yīng)力實驗與數(shù)學(xué)回歸分析結(jié)合的篩選方法減小了實驗值與預(yù)測值的偏差，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)境會對電子元器件產(chǎn)生輻射損傷，給航天電子系統(tǒng)帶來風(fēng)險。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，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。目前國內(nèi)外主要有兩種篩選方法，一種是通過向器件內(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等人通過物理應(yīng)力實驗的方法，研究了物理應(yīng)力對器件的篩選性能，但是研究中多針對產(chǎn)品的成品率、實驗成本等方面的內(nèi)容，并沒有給出預(yù)估結(jié)果；另一種是通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法。根據(jù)線性回歸方程預(yù)測器件的性能，從而達到篩選的目的。Michael R.Cooper等人基于應(yīng)力實驗，通過統(tǒng)計的方法對器件篩選進行了相關(guān)研究，但是研究對象著重是各種應(yīng)力實驗的效果比對，并未從器件具體參數(shù)上給出篩選的結(jié)果，不能達到預(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)力實驗的方法是建立在器件輻射損傷的物理基礎(chǔ)上，具有較高的準確性，但能量注入的方式、多少，將帶來器件損傷程度與信息有效性的矛盾；數(shù)學(xué)統(tǒng)計的方法可以得到統(tǒng)計的結(jié)果，但此種方法是建立在數(shù)學(xué)統(tǒng)計基礎(chǔ)上的，缺少物理基礎(chǔ)的支持。就目前的篩選方法來看，篩選實驗無法保證篩選過程是無損篩選，并且不能對器件的性能進行準確預(yù)估，無法達到篩選的目的。鑒于以上情況，本文采用商用Intel 80C196KB單片機為研究對象，將兩種方法結(jié)合，得出預(yù)估方程，預(yù)測器件的抗輻射性能。

　　1 實驗方法

　　將物理應(yīng)力實驗與多元線性回歸相結(jié)合，研究了單片機抗輻射性能的無損篩選方法。首先，根據(jù)應(yīng)力實驗前的初始數(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)力實驗后的實驗數(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)力實驗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)力實驗前后的變化，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確性及可靠性。

　　1.1 物理應(yīng)力實驗

　　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)、隨機振動及溫度沖擊等。通過調(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器件及電路內(nèi)部缺陷。鑒于無損篩選方法的實驗?zāi)康募耙饬x，應(yīng)力實驗分別選擇功率老化和溫度循環(huán)。功率老化應(yīng)力是對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,測量參數(shù)；然后保持溫度125℃不變，偏壓以步長0.5V增長，各保持24h,測量參數(shù)，直到參數(shù)產(chǎn)生離散為止，如果達到器件極限工作條件時，參數(shù)還沒有產(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)進行24h,測量參數(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℃的步長增加，低溫以-5℃的步長減小，繼續(xù)各保持24h,測量參數(shù)。如果溫度達到器件極限工作溫度，參數(shù)仍未產(chǎn)生離散，則停止實驗。

　　每個應(yīng)力實驗樣品各32個，應(yīng)力實驗前測試初始數(shù)據(jù)，應(yīng)力實驗后檢測數(shù)據(jù)分布的離散性，然后進行輻照實驗，測試輻射后樣品數(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號樣品初始數(shù)據(jù)及應(yīng)力實驗后數(shù)據(jù)擬合得到多元線性回歸方程，通過25~32號樣品的數(shù)據(jù)檢驗回歸方程的準確性及可靠性。

　　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，可能有m 個，即有X1,X2,…，Xm,每個自變量都對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次實驗中因變量的實驗值，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次實驗中輻照信息參數(shù)的實驗值；n為隨機抽取的樣本數(shù)（即實驗的樣本數(shù)）；m 為初選的輻照信息參數(shù)的個數(shù)。

　　通過摸底實驗，發(fā)現(xiàn)80C196能承受的劑量為10~11krad（Si），因此確定輻照實驗的總劑量為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)進行對比，發(fā)現(xiàn)電路的靜態(tài)低功耗電流-待機電流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個初始參數(shù)中對輻照后的輻照性能參數(shù)有顯著作用的初始參數(shù)，需要求各個初始信息參數(shù)對輻照性能參數(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損篩選方法（二）