辐射导致芯片失效机理研究

    讲这个课题之前，我们先来了解一下这个协议——《瓦森纳协议》（Wassenaar Arrangement）。这是一个国际多边出口控制机制，旨在防止常规武器和军民两用物品（包括某些高技术产品）的扩散。虽然《瓦森纳协议》主要针对的是军事和军民两用技术，但它确实可能间接影响商用半导体器件的规格书内容，尤其是涉及耐辐射性能的部分。

《瓦森纳协议》与耐辐射指标的关系

1. 耐辐射器件的军民两用性质

•     耐辐射半导体器件通常用于航天、核工业等高端领域，这些领域与军事应用有较高的重叠性（如卫星、导弹、核设施等）。根据《瓦森纳协议》，某些耐辐射技术可能被视为军民两用技术，受到出口管制。

2. 规格书中的限制

•     如果商用半导体器件在规格书中明确标注耐辐射指标，可能会被视为具备军民两用潜力，从而受到《瓦森纳协议》的出口管制——为了避免被列入管制清单，供应商通常不在规格书中明确承诺耐辐射性能。

3. 技术保密与合规

•     耐辐射设计涉及特殊材料、工艺和测试方法，这些技术可能被视为敏感技术。

  供应商为了避免技术泄露或违反出口管制法规，通常会选择不公开耐辐射性能。

---

其他相关协议与法规

    除了《瓦森纳协议》，还有一些其他国际协议和法规影响耐辐射指标的标注：

1. 国际武器贸易条例（ITAR）

•     美国《国际武器贸易条例》对军事和航天相关技术的出口有严格限制。如果耐辐射器件被认为与军事或航天相关，其出口可能受到ITAR管制。

2. 出口管制分类号（ECCN）

•     在美国出口管制体系中，某些耐辐射半导体器件可能被归类为特定的ECCN编号，从而受到出口限制。供应商为了避免复杂的出口审批流程，可能选择不公开耐辐射性能。

3. 国家安全的考虑

•     各国政府对涉及国家安全的技术（如耐辐射器件）有严格的管控措施。供应商为了避免触犯国家安全法规，通常会对耐辐射性能保持谨慎态度。

---

---

商用器件供应商的应对策略

1. 模糊化处理

•     在规格书中避免明确提及耐辐射性能，而是使用更通用的描述（如“高可靠性”或“适用于恶劣环境”）。

2. 定制化服务

•     对于需要耐辐射器件的客户（如航天公司），供应商通常通过定制化协议提供相关产品，而不在公开规格书中标注。

3. 技术分级

•     将耐辐射技术分为不同等级，仅对经过认证的客户提供高端耐辐射器件，避免技术扩散。

• 以德州仪器为例，其在官网对器件进行了细致的分级

---

4.使用方自行认证耐辐射能力

    使用方自己进行辐射认证，确认芯片的耐辐射能力，但是该认证在存在较大的批次差异，比如批次间氧化层厚度的波动就会导致较大的耐辐射能力差异。

---

X射线辐射导致半导体器件的失效机理

1、电离效应（Ionization Effects）

• 原理：X射线光子能量较高，将半导体材料中的原子电离，产生大量电子-空穴对。

• 影响：在绝缘层（如SiO₂）中，电离产生的电子-空穴对会分离，电子迁移率较高，迅速被扫出，而空穴则可能被陷阱捕获，形成正电荷积累。在半导体材料中，电离效应会增加载流子浓度，导致漏电流增大，器件性能退化。

• 失效表现：

• a、阈值电压漂移（Threshold Voltage Shift）。

• b、漏电流增加，功耗上升。

• c、器件参数不稳定。

---

2、位移损伤（Displacement Damage）

• 原理：高能X射线光子与半导体晶格原子碰撞，使原子脱离晶格位置，形成空位-间隙原子对（Frenkel缺陷）。

• 影响：晶格缺陷会引入深能级陷阱，影响载流子的产生和复合；导致载流子寿命降低，迁移率下降。

• 失效表现：

• a、器件电学性能退化，如增益下降、漏电流增加。

• b、长期累积可能导致器件完全失效。

---

3、界面态生成（Interface State Generation）

• 原理：X射线辐射在半导体与绝缘层（如Si/SiO₂界面）处产生缺陷态。

• 影响：界面态会捕获载流子，降低载流子迁移率；导致器件跨导下降，开关速度变慢。

• 失效表现：

• a、MOSFET的跨导（Transconductance）降低。

• b、器件响应速度变慢。

---

4、电荷积累（Charge Trapping）

• 原理：X射线在绝缘层（如SiO₂）中产生电子-空穴对，空穴被陷阱捕获，形成正电荷积累。

• 影响：正电荷积累会改变器件的电场分布，导致阈值电压漂移；长期积累可能导致绝缘层击穿。

• 失效表现：

• a、阈值电压漂移，器件工作点改变。

• b、严重时导致绝缘层击穿，器件完全失效。

---

5、单粒子效应（Single Event Effects, SEE）

• 原理：虽然X射线不直接引起单粒子效应，但在高能辐射环境下，X射线可能与其他辐射（如γ射线）共同作用，导致单粒子翻转（SEU）或单粒子烧毁（SEB）。

• 影响：导致存储单元数据错误（如DRAM、SRAM）；功率器件可能发生烧毁。

• 失效表现：

• a、数据错误或丢失。

• b、器件永久性损坏。

---

    X射线辐射主要通过电离效应、位移损伤、界面态生成和电荷积累等机理导致半导体器件失效。这些效应会引起器件参数漂移、性能退化，甚至永久性损坏。理解这些失效机理有助于设计抗辐射器件和采取有效的防护措施。

---

    近几年，随着民用产品越来越复杂，在PCBA生产完后需要进行X射线检查是否存在虚焊/空焊的情况。一块稍微复杂一点的PCBA进行该检查时需要接受大于100Krad的辐射剂量，所以即使用在低空无辐射的产品在生产时也会经常发现辐射导致器件失效的情况。

    针对这个问题，X射线检查设备厂商也进行了相关研究并提供了一些解决方案：在保证X射线图像质量的前提下，使用挡片进行辐射屏蔽，减少辐射剂量。

    经研究，在低能量下，特别是低于20keV的辐射能量会被样品吸收，这些能量会增加样品的辐射剂量，但不能穿过样品到达X射线探测器，探测器对低于约20keV的X射线不敏感，无法利用这些能量进行成像。因此将低于20keV的辐射能量屏蔽后会显著减少样品的辐射吸收剂量（80%）且不影响图像成像质量。

    经验：Zn材料滤波片可以屏蔽80%以上的辐射，且不影响成像质量。

    实际应用，可在X射线源前加滤波片，如果是倒置式的（即X射线源）在底部，可在托盘中增加滤波层。