SoC芯片激光模拟单粒子辐照检测及故障定位方法及系统与流程

本发明涉及单粒子效应试验技术和方法领域，尤其涉及通过激光模拟单粒子效应辐照对soc芯片等器件的测试、检测，问题发现及故障查找定位方法。

背景技术：

航天器在外太空遭受银河宇宙射线、太阳宇宙射线、地球辐射带粒子及大气中子等高能粒子的辐射。在器件受到高能粒子的辐射时，容易发生单粒子效应。随着芯片制造工艺和集成度的不断提高，半导体器件的特征尺寸持续缩小，集成电路对空间辐射效应变得越来越敏感。开展航天电子器件单粒子效应的研究和分析，对于提高航天器运行稳定性和集成电路可靠性具有重要意义。

为了航天飞行器的安全可靠飞行，对航天电子器件进行地面单粒子效应模拟实验进而评估器件抗单粒子效应能力显得尤为重要。地面模拟单粒子效应的主要手段是重离子加速实验，但是加速器资源有限、实验成本高而且很难对器件内部结构进行分析研究。近年来，激光模拟单粒子效应实验作为重离子实验方法的一种有效补充越来越受到大家重视。

激光模拟单粒子实验无需真空，实验成本低，效率高；激光频率精确可调，能够实现单个脉冲辐照实验，有利于准确定位器件单粒子响应细节，便于有效分析芯片的失效机理和定位失效部位；同时安全无辐射，利用精密机械平台对器件进行平面扫描，可以选则指定区域进行持续扫描和单点辐照，实现芯片薄弱环节的精准定位，进而反馈并指导器件的加固设计。但是因激光光斑较大，容易产生多位翻转问题，会使得芯片的翻转截面偏大，不利于真实反映芯片的翻转特性；而且激光多为脉冲激光，激光频率与机械平移台步距需要相互协调，否则可能会造成重复辐照或是遗漏辐照的现象。

soc是集多种功能于一体的系统电路，从整个系统的功能和性能出发，通过软硬结合的设计和验证方法在一个芯片上实现复杂功能的集成。soc作为航天器电子系统中的核心元器件，是单粒子效应敏感器件，一旦由于辐射效应的影响出现性能不稳或失效，将会对空间飞行器运行产生严重威胁，因此对其进行模拟辐照实验，评估抗单粒子辐射效应性能，是空间飞行器抗辐射加固的一个重要环节。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供soc激光模拟单粒子辐照检测及故障定位方法及系统，该方法在动态，静态和复位状态(简称“三态”)下，对芯片工作情况进行全面测试，实现对soc单粒子效应的全面、合理评估，而且通过对被测区域精确镂空处理，基于测试结果便于发现问题，精确定位故障问题。

本发明的技术解决方案是：soc芯片激光模拟单粒子辐照检测及故障定位方法，该方法包括复位模式下的步骤：

(1-1)、对soc芯片待测区域的背面进行开孔处理，露出芯片衬底；

(1-2)、将开孔后的soc芯片安装在测试板上，所述测试板提供soc芯片必需的配置信号，使soc芯片上电后能够正常工作，所述配置信号包括电源信号与时钟信号，时钟信号输入至soc芯片pll模块，产生soc芯片工作时钟；

(1-3)、将待测芯片复位管脚接地，之后，使soc芯片上电开始工作；

(1-4)、采用激光对准soc芯片背面开孔区域，进行二维平面扫描照射；

(1-5)、监测soc芯片工作时钟的波形、内核电流、io电流，当soc芯片工作时钟、内核电流、io电流任意一项出现异常时，则认为soc芯片待测区域出现故障，停止激光照射，结束测试。

该方法还包括静态模式下的步骤：

(2-1)、对soc芯片待测区域的背面进行开孔处理，露出芯片衬底；

(2-2)、将开孔后的soc芯片安装在测试板上，所述测试板提供待测soc芯片必需的配置信号，使soc芯片上电后能够正常工作，所述配置信号包括电源信号；

(2-3)、配置soc芯片pll旁路控制信号有效，将soc芯片的时钟输入管脚连接至高电平，之后，使soc芯片上电开始工作；

(2-4)、采用激光对准soc芯片背面开孔区域，进行二维平面扫描照射；

(2-5)、监测内核电流、io电流，当内核电流、io电流任意一项出现异常时，则认为soc芯片待测区域出现故障，停止激光照射，结束测试。

该方法还包括动态模式下的步骤：

(3-1)、对soc芯片待测区域的背面进行开孔处理，露出芯片衬底；

(3-2)、分析soc芯片内部结构，将与soc芯片待测区域相关联的功能模块，作为被测功能模块；

(3-3)、将待测soc芯片安装在测试板上，所述测试板提供使待测soc芯片正常工作必需的配置信号；所述配置信号包括电源信号、复位信号与时钟信号；

(3-3)、将soc芯片上电，对被测功能模块进行功能测试；

(3-4)、采用激光对准待测soc芯片背面开孔区域，进行二维平面扫描照射；

(3-5)、监测内核电流、io电流，当内核电流、io电流、功能测试结果任意一项出现异常时，则认为soc芯片待测区域出现故障，停止激光照射，结束测试。

所述开孔精度控制在100um以内。

所述功能测试步骤为：

(6.1)、向被测功能模块所有地址写入数据或配置初值；

(6.2)、遍历回读被测功能模块所有地址的数据并与写入值或初值对比；

(6.3)、对比结果不相同时，则记录单个数据数据位发生翻转的情况；

所述单位时间内单个数据1个数据位、2个数据位或者多个数据位发生翻转的次数超过相应的门限，则认为功能测试结果异常，否则，认为功能测试结果正常。

所述内核电流、io电流任一项大于相应的预设门限，则认为内核电流、io电流异常。

所述soc芯片工作时钟波形幅度和频率值偏差超过相应的预设范围，则认为soc芯片工作时钟出现异常，否则，soc芯片工作时钟正常。

本发明的另一个技术解决方案是：soc芯片激光模拟单粒子辐照检测及故障定位系统，该系统包括监测控制设备、soc测试板、示波器、程控电源和激光照射器，其中：

激光照射器，用于提供模拟单粒子效应辐照环境，产生脉冲激光对soc芯片选定区域进行二维平面扫描。

监测控制设备，将编写好的测试程序集合烧写固化至soc测试板，动态测试模式下，根据外部键入指令选择相应的功能测试程序对soc芯片进行动态测试，接收soc测试板发送的功能测试结果，采集程控电源发送的soc测试板电流、soc芯片内核电流、io电流，将测试结果、soc芯片内核电流、io电流大小显示，供实验人员通过分析测试数据和电流值以及输出波形判断测试情况，进而掌控实验进程；一旦soc测试板电流、soc芯片内核电流、io电流任何一项超出相应的设定门限，自动报警并切断电源，实现电源通断的自动控制；

soc测试板，在功能测试程序控制下完成功能测试，将soc测试结果发送至监测控制设备；

程控电源，用于提供soc测试板电源，并实时检测测试板电流、soc芯片的内核电流、io电流，发送至监测控制设备。

所述soc测试板包括soc芯片、soc芯片插座、sram模块、prom模块、复位模块、时钟电路、供电模块、通信模块；

soc芯片插座与soc芯片管脚匹配，用于连接soc芯片与soc测试板；

prom模块，用于存储功能测试程序，上电后将功能测试程序加载至sram模块中；

sram模块，上电后加载prom中存放的功能测试程序；

soc芯片，读取sram模块中的测试程序并运行，然后将测试程序运行后得到的功能测试结果发送至监测控制设备；

复位模块，通过跳线与soc芯片管脚相连，为soc芯片提供复位信号；

时钟电路，通过跳线与soc芯片pll时钟输入管脚相连，为soc芯片提供时钟信号；

供电模块，为soc芯片提供电源；

通信模块，实现soc测试板和监测控制设备间的数据传输。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)、本发明对待测芯片测试区域进行背面开孔处理，开孔精度高，有效避免激光光斑较大对非测试区域产生影响，提高测试及定位精度。

(2)、本发明通过动态、静态和复位状态三种测试模式，对soc电路进行全面的功能检测，丰富了实验条件和方法，实验测试覆盖性高。

(3)、本发明动态测试情况下，可以根据需要有的放矢的选择模块进行测试，灵活高效，同时实验过程中能够实时观测到测试芯片的翻转错误情况，便于分析不同模块抗辐性能，从而指导soc电路的后续改进设计。

(4)、本发明静态测试情况下，电路静态电流很小且稳定性较好，且能够避免动态情况下电流不断发生变化，能够检测发现实验过程中由激光照射引起的电流的微小波动，准确定位单粒子闩锁情况。

(5)、本发明复位状态下，通过对芯片持续异步复位，确保芯片的双向管脚具有稳定的输入输出状态，防止双向管脚由于输入输出状态发生改变引起管脚电流发生变化而对测试结果产生影响。

(6)、本发明测试板测试程序修改、调试方便，支持在线下载烧写，串口数据及电流检测值能够记录保存，方便后续分析研究。

(7)、本发明对辐照过程电流电压实时监测，并设置电流上限域值，一旦超过设定阈值自动报警，避免闩锁现象遗漏，同时具备超限流自动断电功能，防止芯片因电流过大造成损坏。

附图说明

图1为本发明实施例用于soc激光模拟单粒子辐照检测及故障定位方法流程图；

图2为本发明实施例待测试芯片背面开孔示意图；

图3是本发明实施例用于soc激光模拟单粒子辐照检测系统原理图。

具体实施方式

如图1所示，针对现有技术中激光模拟单粒子效应的测试技术难点，本发明提出了soc芯片激光模拟单粒子辐照检测及故障定位方法，包括复位模式、静态模式和动态模式三种测试模式，每个模式的具体步骤如下：

1、复位模式下的步骤：

(1-1)、对soc芯片待测区域的背面进行开孔处理，露出芯片衬底；

选用的激光扫描最大速度为100um/s，为了减小因开孔工艺误差导致激光对非测试区域产生影响，所述开孔精度最好控制在100um以内。当待测区域影响管芯键合时，可将待测区域剖分成多个子区域，多个soc芯片测试分别对各子区域进行测试得到测试结果。如图1所示，当待测区域为芯片的io区域时，由于芯片io区域位于四周，全部开孔，将导致管芯无法键合，采用四只芯片分别进行上下左右镂空处理，开孔处理可以有效避免激光光斑较大对非测试区域产生影响，提高测试及定位精度。

(1-2)、将开孔后的soc芯片安装在测试板上，所述测试板提供soc芯片必需的配置信号，使soc芯片上电后能够正常工作，所述配置信号包括电源信号与时钟信号，时钟信号输入至soc芯片pll模块，产生soc芯片工作时钟；

(1-3)、将待测芯片复位管脚接地，之后，使soc芯片上电开始工作；

(1-4)、将测试板安装固定在激光试验台，采用激光对准soc芯片背面开孔区域，进行二维平面扫描照射；

(1-5)、监测soc芯片工作时钟的波形、内核电流、io电流，当soc芯片工作时钟、内核电流、io电流任意一项出现异常时，则认为soc芯片待测区域出现故障，停止激光照射，结束测试。

所述内核电流、io电流任一项大于相应的预设门限，则认为内核电流、io电流异常。

所述soc芯片工作时钟波形幅度和频率值偏差超过相应的预设范围，则认为soc芯片工作时钟出现异常，否则，soc芯片工作时钟正常。

2、静态模式下的步骤：

(2-1)、对soc芯片待测区域的背面进行开孔处理，露出芯片衬底；

(2-2)、将将开孔后的soc芯片安装在测试板上，所述测试板提供待测soc芯片必需的配置信号，使soc芯片上电后能够正常工作，所述配置信号包括电源信号；

(2-3)、将soc芯片的时钟输入管脚连接至高电平，之后，使soc芯片上电开始工作；

(2-4)、采用激光对准soc芯片背面开孔区域，进行二维平面扫描照射；

(2-5)、监测内核电流、io电流，当内核电流、io电流任意一项出现异常时，则认为soc芯片待测区域出现故障，停止激光照射，结束测试。

内核电流、io电流异常判断方法与步骤(1-5)中的判断方法相同。

3、动态模式下的步骤：

(3-1)、对soc芯片待测区域的背面进行开孔处理，露出芯片衬底；

(3-2)、分析soc芯片内部结构，将与soc芯片待测区域相关联的功能模块，作为被测功能模块；

(3-3)、将待测soc芯片安装在测试板上，所述测试板提供使待测soc芯片正常工作必需的配置信号；所述配置信号包括电源信号、复位信号与时钟信号；

(3-3)、将soc芯片上电，对被测功能模块进行功能测试；

对于具有能够存储数据功能的一定容量的存储模块，为了检测其在激光模拟试验中被打翻的情况，就需要直接对激光照射前后存储模块中的数据进行对比，所述功能测试步骤可以为：

(3-3.1)、向被测功能模块所有地址写入数据或配置初值；

(3-3.2)、遍历回读被测功能模块所有地址的数据并与写入值或初值对比；

(3-3.3)、对比结果不相同时，则记录单个数据数据位发生翻转的情况；

(3-4)、采用激光对准待测soc芯片背面开孔区域，进行二维平面扫描照射；

(3-5)、监测内核电流、io电流，当内核电流、io电流、功能测试结果任意一项出现异常时，则认为soc芯片待测区域出现故障，停止激光照射，结束测试。

同样，内核电流、io电流异常判断方法与步骤(1-5)中的判断方法相同。由于芯片正常工作时，每路电流大小稳定在一定范围内，但模式不同，内核电流和io电流波动值大小各有差异，所以设定的门限值为对应某一模式工作状态下，内核电流或io电流最大值的1.5倍，一旦超出，则判断为电流异常。

对于步骤(3-3)中所采用的功能测试，单位时间内单个数据1个数据位、2个数据位或者多个数据位发生翻转的次数超过相应的门限，则认为被测区域的抗辐照性能不满足要求。停止激光照射，结束测试。否则，认为被测区域的抗辐照性能满足要求。

上述方法有效避免了激光光斑较大对非测试区域产生的影响，提高soc芯片测试全面性与准确性，通过分析不同状态测试结果，便于精准发现、定位问题。

为了满足三种模式下测试的通用性，本发明还提出了soc芯片激光模拟单粒子辐照检测及故障定位系统，用于对soc芯片进行激光模拟单粒子效应辐照实验。

如图2所示，soc激光模拟单粒子辐照检测系统由监测控制设备、soc测试板、示波器、程控电源和激光照射器组成。

激光照射器，用于提供模拟单粒子效应辐照环境，产生脉冲激光对soc芯片选定区域进行二维平面扫描；

监测控制设备，将编写好的测试程序集合烧写固化至soc测试板，动态测试模式下，根据外部键入指令(所述键入指令优先采用十进制数字1～9)选择相应的功能测试程序对soc芯片进行动态测试，接收soc测试板发送的功能测试结果，采集程控电源发送的soc测试板电流、soc芯片内核电流、io电流，将测试结果、soc芯片内核电流、io电流大小显示，供实验人员通过分析测试数据和电流值以及输出波形判断测试情况，进而掌控实验进程；一旦soc测试板电流、soc芯片内核电流、io电流任何一项超出相应的设定门限，自动报警并切断电源，实现电源通断的自动控制。

soc测试板，在功能测试程序控制下完成功能测试，将soc测试结果发送至监测控制设备；

程控电源，用于提供soc测试板电源，并实时检测测试板电流、soc芯片的内核电流、io电流，发送至监测控制设备。

所述soc测试板包括soc芯片、soc芯片插座、sram模块、prom模块、复位模块、时钟电路、供电模块、通信模块；

soc芯片插座与soc芯片管脚匹配，用于连接soc芯片与soc测试板；

prom模块，用于存储功能测试程序，上电后将功能测试程序加载至sram模块中；

sram模块，上电后加载prom中存放的功能测试程序；

soc芯片读取sram模块中的测试程序并运行，然后将测试程序运行后得到的功能测试结果发送至监测控制设备；

复位模块，通过跳线与soc芯片管脚相连，为soc芯片提供复位信号；

时钟电路，通过跳线与soc芯片pll时钟输入管脚相连，为soc芯片提供时钟信号；

供电模块，为soc芯片提供电源；

通信模块，通过串口实现soc测试板和监测控制设备间的数据传输。

检测系统用于对soc芯片进行激光模拟单粒子效应辐照实验，便于实时掌握芯片测试状态，可以对soc不同区域及各功能模块工作状态进行测试。

采用上述检测系统及检测方法，通过丰富的实验条件和手段，提高了辐照实验测试的覆盖率和故障定位的准确度，减小芯片本身状态变化对实验结果的影响，检测实验过程中芯片电流的微小波动，准确评估抗辐性能，从而指导电芯片的后续改进。

本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。