反熔丝型现场可编程门阵列单粒子锁定实验研究

　　反熔丝型FPGA(现场可编程门阵列)因其低功耗、高可靠性、高保密性及可重复配置等特点,已广泛应用于空间、军事及航空等领域的数据通信。然而,运行于空间环境中的FPGA易受空间辐射环境的影响,引发器件功能失效。空间环境中的高能带电粒子入射到反熔丝表面时,会沿入射离子径迹产生密度极高的载流子,如果这些载流子在极短的时间内被器件敏感结收集,当电荷收集数量达一定程度时,就会诱发单粒子锁定(SEL)、单粒子绝缘击穿(SEDR)和单粒子伪锁定(pSEL)现象。本工作利用1·064μm的脉冲皮秒激光和锎源系统对Actel公司生产的A42MX36星用可编程门阵列(FPGA)进行单粒子锁定敏感性评估,对试验中发现的SEDR和pSEL发生的机理作初步探讨,为工程应用提供参考依据。

　　1　试验系统

　　1·1　A42MX36试验样品

　　A42MX36试验样品采用0.45μm 3层金属CMOS工艺,陶瓷扁方形封装(CQFP),逻辑阵列54 000门,属MIL-STD-883 B级,由逻辑模块、I/O模块、布线资源、时钟网络、嵌入式双端口SRAM模块和宽解码模块组成。逻辑单元及各逻辑模块与I/O模块间的互连通过反熔丝技术实现。A42MX36反熔丝采用改进型CMOS技术,具有低功耗、高传输号、高可靠性等特点;反熔丝阵列采用混合加电模式,其VCCA(逻辑阵列供电电压)和VCCI(I/O系统供电电压)均为5·0 V。

　　1·2　A42MX36 FPGA单粒子锁定测试系统试验系统采用一独立的ARM处理器,实时监测和记录A42MX36FPGA芯片的工作电流,同时将记录结果通过串口下传至测试工控机,并接受工控机的控制指令,由于A42MX36芯片与ARM总线不能直接匹配应用,因此,需用FPGA实现两者之间的接口匹配。在进行A42MX36测试时,先由监测计算机中的监测软件向ARM处理器发送命令,ARM处理器收到命令后进行解析,根据解析后的结果,分别对A42MX36部的串口、加法器、乘法器、RAM进行测试,并将测试结果返回ARM,由ARM对数据进行编码处理后,发送至监测计算机。同时,ARM内部的A/D通过MAX471芯片实时监测A42MX36的电流,并实时发送至监测计算机。监测计算机负责接收被测样片发回的测试结果,进行实时显示和记录存盘,若待测A42MX36芯片出现锁定,监测软件通过串口给ARM发送命令,控制程控电源断电。A42MX36 FPGA单粒子锁定测试系统原理如图1所示。

　　1·3　A42MX36 FPGA脉冲激光模拟试验系统

　　单粒子效应激光模拟试验系统主要由激光器系统、聚焦单元和测试测控系统等组成。皮秒激光器能够提供波长为1.064μm、脉宽为20~30 ps的脉冲激光。激光聚焦系统由显微镜、x-y移动平台和彩色CCD相机组成。聚焦后的激光束斑直径为1μm;程控x-y移动平台的移动精度为1. 25μm,最大扫描范围为50 mm×50 mm;CCD相机可实现脉冲激光对DUT器件的精确定位和扫描,并实时采集辐照敏感单元图像。