质子SEE加固保障测试探索

与重离子加固保障试验相比，质子加固保障试验要相对容易且成本较低。试验的最优流程是与任务需求和具体应用有关。例如，如果一个航天器应用系统，要求控制器件在空间不能发生单粒子锁定，但是能够容忍相对较高的单粒子翻转率，那么SEL试验就应该在SEU试验之前进行。在这样的试验顺序下，如果检测到SEL，就说明器件不满足应用需求，无须再进行后续的试验，这样可以节省相应的试验时间。但是，如果系统能够容忍一些单粒子锁定事件的发生，那么在加固保障评估过程中，推荐在质子单粒子锁定试验之前先进行质子单粒子翻转试验。从前几章的相关知识介绍我们知道，在进行单粒子锁定试验时，一般需要在高温下进行辐照（满足最坏情况的要求），而单粒子翻转试验通常不需要在高温条件下开展。由于器件冷却至室温需要一定的时间，因此简单的办法是先在室温下进行辐照试验，然后再进行高温下的辐照试验。另外，单粒子锁定试验也有可能造成试验样品器件损坏，给后续单粒子翻转试验带来不便。

质子单粒子效应试验中需要注意的一个重点问题是质子辐照会对器件产生明显的电离总剂量效应（TID），造成器件性能衰减。TID引起的性能衰减能导致器件SEU截面增大和器件永久性失效。正因为如此，在试验中有必要准备更多可用的试验样品，被测器件的具体数量要依据器件的SEU或者SEL敏感性以及TID加固特性而定。对SEU敏感的器件可以用低通量的粒子（TID水平较低）进行表征，而具有TID加固设计特性的器件就可以用高通量的粒子进行表征，这样一来，质子的TID不会造成器件性能衰减或者衰减程度很小。对于这两种情况中的任何一种，需要进行试验测试的器件数量都可能较少。另外，对SEU不太敏感但对TID比较敏感的器件，试验中就需要更多的样品器件进行辐照，以得到足够的统计数据。因此，试验前要特别注意被测器件数量的选择。如果试验中没有足够的被测器件会导致试验数据品质低，而且重复循环试验会增加测试成本。如果只有少数可用于试验的器件或者是要限制被测器件的数量，那么质子SEU试验应在质子能量高（最低TID影响）的条件下开始。大多数器件的SEU截面在质子能量降低到低能量时才会发生明显变化。这一事实也可以用来限制用于表征该器件的质子能量（即TID）的数量。

（一）测试准备

1.辐射源设备

辐射源必须能提供20～180 MeV能量范围的质子。理想情况下，辐射源应能产生系统应用环境中存在的最大能量的质子。对于空间辐射带的俘获高能质子，其最大能量约为400 MeV。对任何给定能量的质子，束流歧散（能量的变化）的半宽高（FWHM）应该小于目标能量的25%。束流歧散主要是由于束流线上使用的降能材料导致质子能量降低而引起的。对于大多数高能质子加速器设备来说，这是一种改变质子能量的唯一实用方法。对于能够提供多个单能质子的设备，都是通过降能材料获得相应试验所需的质子能量。例如，美国TRIUMF质子回旋加速器能够提供70 MeV、116 MeV、220 MeV、350 MeV、480 MeV的单能质子，如果试验需要能量为85 MeV的质子，就可以利用塑料衰减材料对116 MeV质子进行降能而得到，但这个能量具有一定的歧散特性。图4-49给出了TRIUMF质子回旋加速器的低能束流线出口，塑料降能器用于降低质子能量，放置在中心位置。需注意的是有些设备在降低质子能量时会导致质子通量也降低，这可能会使得试验时间极大增加。

图4-49　TRIUMF的低能粒子束流线（利用塑料降能器（中心位置）改变质子能量）

综上所述，通过降能材料或者改变不同能量的质子的方式可以降低质子能量，但对质子加速器设备而言，改变不同能量质子的方式通常需要更多的时间，因此，在单粒子效应加固保障测试中，通过改变束流线来频繁改变质子能量的办法往往是不切实际的。如果需要测试其他同类型的器件或者不同类型的器件，可取的办法是在改变束流线之前，完成给定能量下所有器件的测试，这其中也包括单粒子锁定的测试。但是，单粒子锁定的测试应该从试验设备能提供的最高质子能量（最高500 MeV）条件开始。如果不是这种情形，即使在质子能量较低的情况下没有检测到单粒子锁定，器件单粒子锁定试验也仍旧需在较高质子能量的情形下测试。此外，在进行单粒子锁定试验时，必须要考虑的是器件将暴露在更多的辐射剂量下。如果总剂量会影响SEU截面，则试验中应该用多个器件进行测试。如果是通过在束流线上放置材料的方式进行衰减质子能量，这样操作的试验时间通常会比更换器件要短些。（有些试验设备在束流线上放置降能材料时会增加束流线和被测器件放射性，这种情况下为了减小对人体的辐射危害，建议在改变质子能量前先更换器件）

2.试验人员

大多数远程操作试验是24 h全天候进行的，如果试验人员有限，会导致每个人的工作时间非常长，且不能高效地使用试验设备，因此，在试验期间需要足够的人员进行数据获取以及数据初步分析，以达到试验设备的优化利用，确保获得高质量的试验数据。

3.剂量测定

几乎所有的试验设备都会提供辐射剂量的测定。了解辐射剂量的测量方法能更好地分析辐射剂量测试结果的准确性。但是，为了确认剂量测定的准确与否，应该提供一种方法来复查其准确性。注量（总剂量）可以用热释光探测器（TLD）测量。另一种方法是通过测量对电离总剂量不敏感的器件的SEU截面来实现测量。只要器件SEU或者SEL截面不受总剂量影响，则在不同的质子条件下（如不同能量或通量），器件的SEU或者SEL截面不会发生非常明显的变化，这和重离子试验过程也是类似的，在SEU或SEL截面饱和区内，其截面不会随着离子种类或者能量等条件的改变而变化。因此，如果试验中观测到SEU或SEL截面发生明显的变化，这足以表明辐射剂量出现了错误或者是辐射剂量测量系统出现了问题。此时，在继续进行试验前应该先解决剂量问题带来的差异。对于SEU和SEL试验，剂量测定要必须确保离子注量的精确度在±10%范围内。另外，离子通量要足够高，才能保证在合理的时间段内到达辐照目标。典型地，SEU和SEL试验中质子通量范围是107～109protons/（cm2·s）。

4.测试电路板

在辐照试验期间或者原位测试中，被辐照器件应该安装在测试电路板中或者与其相连接，测试电路板还应该包括其他外围电路。除非另有规定，所有器件输入端和其他任何可能影响辐射响应的输入端，均应在辐照期间内实现电性连接，而不是悬浮状态。测试电路板的尺寸和材料应该保证质子束流能均匀辐照待测器件DUT。试验方案设计中，对测试电路板应进行良好设计和架构布局，以防止振动，减小漏电流，防止电损坏，并获得准确测量结果。安装器件或者连接测试电路板相关电路的插座，只能使用有抗辐照性能的，且漏电流不能太大。例如，在暴露电离辐射下或者温度升高引起漏电流增加的情形下，有些插座的电阻会发生改变。辐射试验现场所有重复使用的设备都要定期进行检定，以防止其物理或电学特性衰退。测试电路板上的器件（除了被测器件DUT），应该对质子累积总剂量不敏感。除非有绝对必要将测试电路放置在DUT临近位置，否则测试电路要距DUT约束流直径2倍以上的距离，以降低质子辐照过程中累积总剂量引起的性能衰减程度。对不同质子加速器设备，质子束斑直径随设备不同而不同，而且除了束斑直径不同之外，质子通量的大小通常与束斑半径有关。试验测试者（用户）必须确认能容忍的束流通量变化程度，尤其在对多个器件进行辐照时要着重考虑这个问题。例如，在TRIUMF设备上，束流直径的变化范围是2～10 cm，对于大多数试验，整个测试电路没有必要和DUT的测试电路放置在同一个电路板上。

由于质子撞击束流线上的材料会产生次级粒子（如中子和γ射线），因此所有的试验设备（包括偏置电源等）都应该尽可能远离束流线放置。如果相关设备距离束流线太近，将会造成性能退化或者引起单粒子效应，导致设备出现功能故障或者测试结果不准确。常用聚乙烯或者铅块进行屏蔽以减小次级粒子对设备的辐照。但是，考虑到试验系统的整体性，测试设备也不必距离DUT太远。长电缆线的阻抗可能会影响DUT的偏置电压、高频测试等，所以，在辐照试验前应该确认DUT的偏置电压施加是否准确。在TRIUMF试验设备上，典型距离是5～15英尺（1英尺=30.48厘米）。如图4-50是TRIUMF设备低能束流线上测试设备放置位置示意图。在设计测试电路板时应该减少使用具有长放射性的材料，避免使用高Z材料（如钨）和高危险的材料（如铅）。通常，在束流线上要尽量减少屏蔽材料的数量。

需注意的是，束流线上的线缆和其他组件受高能质子照射后会变得活化，不能长距离长时间装配运输。因此，对于连接DUT或者测试板的长距离线缆，推荐采用长度较短的连接线缆。

图4-50　试验设备放置位置

5.测试线缆

良好的线缆对于测试试验是非常重要的，在试验前要确认线缆正确使用方法。试验过程中常常遇到的问题都与电缆故障有关，如短路、开路或者是短时间内短路或开路。合理恰当处理线缆是试验的基础，也是必需的。连接试验设备和测试电路板的线缆必须尽可能短，且应该具有低容抗、低漏电流的特性。长线缆可用于连接试验设备和计算机系统，以控制设备并采集和分析数据。对于大多数远程操作的试验设备，连接其与控制计算机的线缆一般都大于50英尺。在试验前，用户需要联系设备操作员确认试验线缆的最小长度。应当注意的是，对于所有的质子试验设备，试验人员都必须处于单独的具有屏蔽效果的控制室或者操作间内，实现对试验测试过程的操作与控制。

6.试验运行环境

大多数质子设备的试验都是在大气环境下进行的（不是真空罐环境）。如果试验设备间要控制器件的温度，设备间、试验测试电路板、插座等所有部件都要能忍受试验所需的最高温度。如果质子束流是通过屏蔽墙才入射到DUT，则屏蔽墙的材料核和厚度必须要减小到最小程度，以防止质子能量的衰减。这尤其在低能质子试验中显得非常重要。

7.温度控制

温度控制可以通过多种方式实现，例如为了对被测器件进行加热处理，可在DUT和插座之间用电阻加热带。通过改变电阻加热带的电源就能改变温度。改变温度的另一个方法是利用环境试验炉实现，如图4-51所示。图中所示的试验，利用一个空气加热枪将热空气强制注入环境炉内，通过控制加热枪的温度和空气流，很容易远程改变温度。这种加热方法特别适用于电阻加热带不能在DUT和测试板/测试插座间稳定放置的试验情形，也可用于需要加热较大试验子系统的情形。

商用的温度冷却系统可用于器件冷却。为了防止器件在结冰温度以下出现累积的霜冻，器件必须放置在真空环境下。在确定质子能量和通量大小时，必须考虑温度控制系统外壳的厚度。

在高温环境下，准确测量温度对重复进行SEE试验非常关键。无论是加热还是冷却，都可将热电偶连接到器件以监测温度变化情况。

图4-51　用于测试器件的便携式环境试验装置（DUT放置其内）

通过控制加热或者冷却系统的偏置电源的输出实现温度的自动控制，热电偶放置在DUT附近，且与DUT保持良好的热接触是准确测量温度的关键。理想条件下，热电偶应该设置多个位置连接点以准确确定温度变化情况。

监测温度的另一个方法是在给定电流下利用二极管正向电压与温度变化的函数关系来实现。这个技术可用来准确测试被测器件的温度变化。二极管可用于多种器件上（如：输入保护二极管、漏极-衬底间二极管等），这些二极管在用于控制试验装置的温度之前要准确标定，例如将二极管放在准确标定了温度的试验装置内，测量二极管正向电荷和装置温度变化之间的关系。由于二极管电压和温度密切相关，利用这个方法可以实现器件温度的高灵敏测量，且应该在试验前进行温度和电压相互关系的标定工作。图4-52给出了二极管作为温度监测器的实际应用情况。

监测温度的第三个方法是热成像方法（这个仅适用于已加热的器件）。无论使用何种方法监测温度，温度的精确度也不能确定是否在±5℃。因此，为了确保温度能够满足系统需求，温度应该设定在系统或者器件正常运行温度高5℃的某个值。

图4-52　二极管电压与温度的关系

8.试验电路板的布局

DUT必须放置在束流照射区域的中心位置。束斑大小和均匀性分布特性会对单次试验中的器件数目有一定的限制。器件被辐照的芯片面积最大一维尺寸要小于束流直径。束流直径大小小于器件被辐照面积几何尺寸时应该进行多次辐照。但是，如果多次辐照才完成整个器件的辐照试验时，试验测试很难准确确定出SEU截面大小。辐照试验中，束流通量会发生变化，但是器件被辐照面积内的束流通量变化不应该超过20%。大多数试验设备上，用激光来对被测器件进行定位，如图4-53所示。在一般加速器试验设备（TRIUMF试验设备）上，DUT后方的一束激光用来将束流定位在DUT的X-Y中心，另一束与DUT平行的激光用于准确定位DUT与束流出口处的距离，这也用于确认器件表面是否正对束流入射方向。一旦DUT正对束流，束流入射角度可利用电控制位移设备或者手动位移设备或者其他试验设备来改变，但必须确保在改变入射角度时被测器件DUT的试验平面X-Y保持不变。

图4-53　利用激光束的器件定位

9.单粒子翻转表征

通常，SEU截面的单位有每器件的SEU敏感区域大小（cm2/device）和每比特位的SEU敏感区域大小（存储器件，cm2/bit）。单粒子翻转截面大小应该在最坏条件下进行测试表征得到，一般来说，推荐试验在多个条件（如：静态和动态试验）和不同数据模式下进行。例如，SRAM存储器的质子SEU截面可以在静态模式下测试获得。在静态模式下，被测器件写入具体数据模式，然后在一定注量下进行辐照试验，辐照结束后关闭束流，再读取存储器的数据并统计错误数。对于这类试验，应该用多个数据模式进行SEU截面特性表征，典型的数据模式包括“棋盘图案”（“1”和“0”的逻辑序列）和“毯状图案”（全“1”或者全“0”），以及更复杂的数据模式，如“行走图案”（依据毯状背景在地址空间中移动一个补充位）和随机图案。虽然常规的“毯状图案”和“棋盘图案”很容易实现，但是推荐试验中必须要识别确认复杂翻转模式，如地址错误或者多个比特位的翻转敏感性。通常，对于串行访问的存储器件，有些数据模式也是不能选择的，如果SEU与数据模式有关，则推荐试验中要首先利用多种数据模式（理论上包括复杂的数据模式）比较SEU的敏感性。如果已知SRAM的逻辑地址和物理位置的关系图，应该得到矢量图以便区分出SEU和MBU，并确认翻转不是由于单粒子锁定引起。即使逻辑-物理关系图无法得知，也可利用低通量试验找出MBU。当然，由于经费预算和试验时间的限制，在不同可能试验条件下完全表征IC是不可能的，例如，SDRAM和微处理器就有很多不同的运行模式。因此，重要的是试验方案设计要制定出接近系统实际应用情形下的试验条件，例如，“即飞即测”的试验测试要求。

10.质子直接电离效应

质子直接电离过程会使低能质子（＜2 MeV）照射试验条件下获得的SEU截面增加，目前还没有可适用于针对这种过程的常规加固验证的可行试验方法。理想情况下，在质子能量歧散最小的条件下，最好是将质子的布拉格（Bragg）峰值定位于器件敏感层内。实现的一种方法是可以利用低能的（如6 MeV）单能质子束流，由于质子穿透覆盖层到达敏感层时，能量会发生衰减。考虑到束流线上的材料性能和质子能量，敏感层内的质子能量需最优化到在低能时观测到SEU截面明显增大的现象。即使束流线材料非常薄，撞击器件的质子也是单能的，但质子在到达敏感层时能量也会发生明显的歧散。虽然如此，但采用这种试验方法也能观测到SEU截面明显增大的现象。

第二种方法是，可以采用另一种替换的试验方法，试验采用重离子，首先从高能段开始试验，这个方法可能得到与质子类似的阻止本领，但能量歧散相对很小。同时利用上述两个试验方法，可以合理确定质子直接电离引起的SEU截面增大程度。但是，这两种方法都要计算粒子穿透材料时的能量损失，且需要覆盖层的具体特性参数，通常不能直接获得试验用的束流条件。因此，这些试验方法都需要有辐射效应分析和测试试验方面的专家协助进行，这是一种不易于控制操作的、可行的加固验证试验流程。

第三种方法是，试验从更高能量的单能质子束流开始（如60～70 MeV），然后利用恰当合适的阻挡材料（如铝或者塑料）对束流进行衰减。这种方法与前述的方法相比将产生相当大的能量歧散，使得它没有能量分辨能力，导致不能合理评估质子直接电离引起SEU截面增加的程度。但是，这能作为一种可行的方法用于辨别确认对质子直接电离效应敏感的器件。实际上，试验从高能质子开始，然后用阻挡材料进行能量衰减的过程可直接比拟卫星内部入射在电子器件上的低能质子产生的过程。

11.单粒子瞬态

质子撞击器件内部敏感逻辑节点，会产生瞬态信号，信号会沿着逻辑开路传播到达锁存电路或者其他存储单元。如果瞬态信号幅度足够大，持续时间足够长，就能改变存储单元的状态，这就是单粒子瞬态效应。单粒子瞬态的测试试验和表征（如瞬态信号的宽度）要比质子SEU试验复杂得多。有关SET的详细测试技术及表征可参考本章4.3节的相关介绍说明。例如，SET的测试表征通常可以采用特殊的逻辑电路或者内建的测试电路来实现。应该注意的是，随着新工艺技术不断发展，SET已成为CMOS数字电路普遍关注的重点。

12.单粒子锁定表征

理论上，单粒子锁定试验允许进行逻辑功能测试和电流监测。试验测试中发现，有些器件仅表现出很小的电流增加，如果没有器件的功能测试试验，这种“微锁定”现象就很难被检测到。对SOI器件来说，照射中其静态供电电流增加得非常小，功能测试的方法也可用于检测其“单粒子急返”现象。在测试方法和试验流程设计中，通过检查测试矢量图和对器件实现循环重复供电的方法，可将单粒子锁定、单粒子翻转以及单粒子功能中断等效应区分开来。如果功能测试试验不可行，器件可以在其首选的电源逻辑状态下表征，即在辐照试验前不必写入具体的数据模式。在这种情况下，在辐照过程中必须持续对电源电流实施监测。当电源电流增加到预先设定的阈值以上时，就记录一次单粒子锁定。众所周知，试验过程中为了获得单粒子锁定截面，必须记录一定辐照注量下发生的多次单粒子锁定现象数目。为了实现多次单粒子锁定的测量，在首次记录单粒子锁定后，必须快速地在极短时间内去除电源电压（如0.5 s以内），而要消除单粒子锁定，必须重新施加电源电压，然后继续进行辐照测试。（注意：在确定给定能量下的质子SEL有效截面时，必须考虑这个掉电与加电过程形成的死时间，通常，为了保证死时间的正确性，两个锁定之间的时间要比移除偏置电压所用的时间要长得多）。依据相关试验结果的总结分析，目前采用的限定条件是电流阈值设定为超过器件静态电流的10%。这里需要注意的是，供电电流会随着温度和总剂量而改变，因此，在试验中要随着试验的进行而不断调整电流设定阈值。为了防止重复单粒子锁定试验引起器件破坏性失效，器件电流必须在限定的安全运行范围内。(www.xing528.com)

13.总剂量对SEU截面的影响

由于一些器件的单粒子翻转截面对总剂量效应很敏感，因此除非已有试验证明器件对总剂量不敏感，否则都应该假设SEU截面对质子总剂量效应是非常敏感的。试验测试中应当注意的是，器件对总剂量效应敏感与否取决于器件的具体制作工艺和电路设计。因此，同一厂商利用相同工艺技术制作的器件或许对总剂量有不同的敏感性。卫星系统用的器件在进行单粒子效应试验前，要先利用Co-60伽马射线源，依据卫星在轨运行的飞行时间进行长时间辐照，以确定其对总剂量的响应特性。器件应该在最严重总剂量损伤的试验条件下进行辐照，对于大多数器件来说，就是在最大供电电压下进行。为了确定器件对总剂量效应是否敏感，要在系统需要的总剂量的80%的条件下对一系列器件进行辐照试验。器件必须在辐照后要完全地达到功能正常的要求，然后器件在偏置条件下进行室温退火，相对于器件在系统中运行时间来说，退火时间要短。这实际上也提供了器件在卫星飞行环境下辐照诱发衰退的过程。需注意的是，器件在质子辐照试验过程中也会遭受总剂量，但是，由于器件没有退火的时间，通常这种总剂量试验是个相对保守的试验过程。另外，质子辐照器件时，总剂量辐照试验应在器件所需要的偏置条件下进行，且要减少被测器件的个数。试验结束后，应该将器件在有总剂量辐照条件下的单粒子翻转截面与没有总剂量辐照条件下的单粒子翻转截面进行对比分析，如果总剂量辐照条件下的最大截面超过没有总剂量辐照条件下的10倍多，就应该认为器件对总剂量敏感。需注意的是，这个10倍的差异只是估计，具体超过的数值取决于系统对单粒子翻转的敏感度。如果已确定器件对总剂量敏感，那么所有的单粒子效应试验就必须至少针对总剂量辐照过的样品器件进行。如果时间允许，且有足够多可用的样品器件，试验也同样应该在没有总剂量辐照的器件上进行，以确定在空间飞行中器件的翻转率差异。现有针对SRAM的试验数据表明，仅有总剂量辐照下呈现出静态供电漏电流增加的器件，才表现出翻转截面对总剂量的敏感性。因此，如果器件的静态供电漏电流不随着总剂量增加，就不必对比有无总剂量辐照器件的单粒子翻转截面，所有的试验都可以在没有总剂量辐照的器件上进行。

（二）质子诱发单粒子翻转测试流程

质子单粒子翻转试验的一般流程如图4-54所示。试验第一步是让质子加速器设备操作者将束流能量调至最大质子能量，随后将束流通量（注量率）调节到试验所需要的近似通量（注量率）大小，通过对束流的测试与标定，确认束流达到了试验用束流的特性参数要求，即质子束流能量和通量等参数的数值大小。

在质子加速器试验终端进行测试设备安装和调试中，将测试仪器、测试板与DUT，以及测试控制系统（通常为测控计算机系统）通过线缆连接。线缆连接好以后，对DUT施加偏置电压，并在DUT端用万用表或者伏特表进行确认；利用试验过程中需要的最小试验模式和最小偏置电压对DUT进行测试确认，确保DUT功能正常。DUT放置在距离束流出口所需的位置并对准束流中心，随后，如果需要，可将DUT封装在试验装置舱内。如果需要加热就对器件进行加热设置及控制，等待温度达到稳定状态（通常是温度达到需要的温度后等待5～10 min）。注意这些都要在关闭束流终端室门之前完成。只有DUT确认功能正常，温度设置正确后，试验才能开始。

利用最小偏置电压对器件施加偏压，用与总剂量辐照试验相同的试验模式对器件进行编程。试验中设置质子的总通量时，由于试验前无法准确确定试验用束流的总通量大小，所以一般在静态测试模式下，通常初始总通量设定为最大试验通量的百分之一。一般来说，试验最大总通量与系统相关，也与试验过程对可信度的设置有关，在进行单粒子翻转加固保障测试中，最大总通量典型值是1010 proton/cm2@SEU，而在进行单粒子锁定加固保障测试中，最大总通量典型值为1011 proton/cm2@SEL。在动态测试模式下，翻转数应该在试验过程中确定，粒子通量设定为最大试验通量，当统计到足够的错误数后（大于100个错误数）停止辐照，具体过程介绍如下。

图4-54　质子加固保障测试流程

1.常规表征测试试验

束流照射器件的过程中，在动态测试方式下，当试验过程中测试获得的翻转数目满足要求或者入射质子达到最大注量时就要停止质子束流的照射（取决于哪个条件先达到）。就试验数据的最大统计可信度而言，试验测试过程获得的翻转数目应该尽可能地多（大于100），但是如果被测的是SRAM或者相似的器件，总翻转数不应超过总存储容量的1%。如果翻转位数比总容量的1%多得多，则单个比特位发生两次翻转或者已处于翻转状态的敏感节点撞击后恢复原状态的可能性将会变得非常大，会影响到测量的精确性。对于静态测试，当总注量达到试验要求时，则读取器件并记录统计翻转位个数。如果翻转数比预期数值大得多，则停止试验。否则继续试验。试验中拟选取的粒子总注量可依据第一次测试试验的结果得到。如果对SRAM或者类似的器件进行试验，翻转数比总存储容量的1%还多时，这时候，应该降低总注量，然后重新开始试验测试，以得到期望的翻转数。注意，在每次试验后，要采用上次辐照过程中相同的数据模式对DUT重新刷新和编程，如果没有检测到错误，试验持续进行，直到满足加固保障要求为止。如果对DUT重新刷新和编程后检测到错误，则应该切断偏置电压约0.5 s，然后重新加载偏压再重新刷新和编程。如果依旧检测到错误，则说明器件功能异常，需要更换无辐照的器件再开展试验测试。如果循环供电后器件功能完全正常，则可能是辐照过程中发生了单粒子锁定。如果器件确实发生了锁定，则测试记录到的翻转数就是错误的，包含有单粒子锁定诱发的错误计数，不能用于计算器件的空间单粒子翻转率大小。在试验过程中，DUT没有发生单粒子锁定时的翻转错误数是有效的，如果在试验过程中单粒子锁定连续发生的频次高，则不能测试器件的单粒子翻转截面，器件是否可用将取决于系统应用的要求和发生单粒子锁定时的质子能量大小。应当注意的是，大量试验测试表明，SEU试验的最坏情形下所对应的偏置电压，通常是SEL试验中最不敏感的偏置电压。

2.确定总剂量敏感性

为了确定器件质子单粒子效应对电离总剂量的敏感性，一般是对比分析总剂量辐照超过系统最大允许总剂量80%的器件的单粒子翻转截面和无总剂量辐照器件的单粒子翻转截面。假如对SRAM或者类似器件进行测试试验，单粒子翻转截面必须是与总剂量辐照时器件用的相同剂量和数据存储模式下确定的最小截面。如果单粒子翻转截面对总剂量敏感，那么后续进一步试验都必须在总剂量辐照的器件上进行，同样，到达器件的总注量要必须确保是最小的。例如，在SEU表征试验中，器件可被辐照的总剂量为2 krad（Si），随着试验的进行，器件遭受的总剂量会持续增加，一旦照射过程中接收到的总剂量达到了系统可接受总剂量的一部分时（如达到10%），则试验必须更换新的器件后继续进行。

3.确定角度敏感性

在上述基础上，试验过程的下一步应该是确定单粒子翻转截面是否与质子束流入射角度有关。注意，如果试验用的器件是之前所用的同一厂商相同工艺的器件，已经确定了质子入射角度对翻转截面的影响，则这一步试验就不必再重复进行。调整质子入射角度为90°（水平擦过），最小偏置电压驱动器件，并且用上述试验以确定的最坏情形下的试验模式（包括数据模式和编程模式）对器件进行编程写入。将束流调整至能得到预期单粒子翻转数对应的注量。然后辐照器件，分别测量在入射角度为0°、90°、180°下的单粒子翻转数。如果90°或者180°入射下的单粒子翻转截面要比0°入射下的高两倍多，则后续所有的试验需要在翻转截面最大对应的入射角度和垂直入射角度下进行，直到垂直入射下的翻转截面比最坏入射情形下翻转截面大为止。但是需注意的是，90°和180°入射时，入射束流线上的材料会衰减质子束流能量和强度。

4.确定最坏情形的偏置电压

大多数情形下，SEU的最坏情形的偏置电压是最小供电电压。但是对于有些器件，其最坏情形的偏置电压可能是最大供电电压，如SOI器件在最大供电电压下“浮体效应”最严重，这可能在最大供电电压下SEU截面较大。通过在最大供电电压和最小供电电压下表征的SEU截面就能很容易确定最坏情形下的偏置电压。用最大供电电压偏置器件，并用上文提到的最坏情形试验模式对器件进行编程，调整束流入射角度至最坏情形，设置质子总注量至预期翻转数对应的注量，然后辐照器件并测量翻转数，比较分析最大偏置电压和最小偏置电压的翻转截面，进而确定最坏情形下的偏置电压。如果这两个截面没有明显的差异，则以后试验就用最小的偏置电压。

5.单粒子翻转截面与质子能量关系

基于上面的初步试验结果，就能确定试验过程所应当设置的最坏情形条件。下一步就是测量并给出单粒子翻转截面与质子能量的关系曲线，这个测试曲线数据主要用于确定空间辐射环境下的软错误率计算与分析。试验测试过程中，减小质子能量，如果翻转截面随着总剂量增加而改变，则安装一个总剂量辐照至系统忍受总剂量80%的试验器件，如果翻转截面不会随着累积总剂量改变，则可以安装一个已经辐照过的器件，也可以安装一个没有辐照过的器件。用最坏情形的偏置电压对器件施加电压，并用最坏情形试验模式对器件进行编程，调整质子入射角度至最坏情形的条件下。对于静态测试，设置质子总注量至预期翻转数对应的注量，然后辐照器件。一旦注量达到要求，就立即停止试验并记录翻转数。如果翻转数接近或者大于预期的翻转数，则试验停止，否则，试验继续直至注量达到最大水平。如果是动态测试，翻转数则是在辐照过程中确定，质子注量要设定为最大水平。当记录到预期的翻转数后停止试验。重复进行上述的试验过程，直到在最大注量水平下没有检测到更多翻转或者束流能量FWHM歧散数值大于靶能量的25%，试验停止，从而得到SEU截面与质子能量的关系曲线。

（三）质子诱发单粒子锁定测试流程

质子诱发单粒子锁定测试的一般试验过程流程图如图4-55所示。

1.质子能量大于400 MeV的试验流程

与质子SEU试验过程类似，单粒子锁定试验首先应从选取最大能量质子开始。一般情况下，质子通量率要尽可能大一些，这样可以减少试验照射时间；但同时也要求通量率足够低，以确保发生两次锁定之间的时间比重启电源消除锁定的时间要长。例如，假如检测到单粒子锁定时移除电源需要0.5 s，则选择的通量率大小要低到一定程度，以防止发生单粒子锁定的频次比每10 s一次还高。另外，质子通量率又要足够高，以保证在合适的时间周期内完成试验。注意，对于大多数质子加速器试验设备来说，通量率不可能降低到相当低，以满足一些商用工艺器件的单粒子锁定试验要求；假如是这种情形，实际的SEL截面要比试验测到的高得多。为了解释其中的差别，就必须从辐照时间中减去移除偏置电压所用的死时间，以确定器件在偏置状态时到达器件的有效通量（注量）。

图4-55　质子诱发单粒子锁定测试流程

如前面关于质子SEU试验所述，在束流照射室内准备好试验器件，包括束流线上正确、合理放置器件，确认器件功能完全正常，设定器件温度值及系统运行的最高温度等。然后利用最大偏置供电电压对器件施加电压，如果需要进行功能性测试时，并对器件编程。最后设定试验所要求的最大质子注量，该最大注量与测试系统相关，同时，也应该考虑同类型多个器件照射时所需的总的累计注量。在单粒子锁定记录方面，器件电流超过静态偏置电流的10%时，设定该电流数值为判断单粒子锁定发生的电流阈值。

辐照器件过程中，如果应用系统不能容忍单粒子锁定，记录到单粒子锁定后就应该停止辐照，判定器件试验测试不通过。如果在最大通量水平下没有记录到单粒子锁定，器件通过试验验证，无须再进行后续相关的试验测试过程。

如果总体要求或系统设计中对单粒子锁定发生的概率是可以接受的，则需要测试获取完整的SEL截面随质子能量变化曲线来评估器件SEL带给系统的风险。在确定单粒子锁定截面的试验过程中，单粒子锁定次数超过100次或者辐照至最大注量水平时停止辐照（无论哪个条件先到）。在测试过程中，当每次记录单粒子锁定后，偏置电压必须移除0.5 s的时间，然后重新上电并对器件进行编程写入。如果进行器件功能测试试验的某些点上出现功能异常，是锁定过程引起器件永久性失效，则停止试验。如果没有测量到单粒子锁定，应该对器件重新进行功能验证；如果功能测试不能在加速器试验终端设备上进行，则应该撤离试验现场后再继续进行。

试验中需降低质子能量，在新的能量点重复上述试验，确定该能量下的单粒子锁定截面；在降低质子能量的试验过程中，持续降低质子能量，直到在最大注量水平，或者束流能量的FWHM歧散超过目标能量的25%时，仍没有检测到单粒子锁定为止。

单粒子锁定试验需额外关注的一点是：SEL可以是破坏性或者非破坏性的。通常通过限制电源供电电流（如限定在超过正常值100 mA）以防止发生破坏性的SEL事件。但是，有时需要确定系统应用中是否会发生破坏性的SEL。评估SEL是否是破坏性的一个方法是将限制电流增加到较高值（例如超过正常值的1～2 A，注意最大限定电流要考虑系统的能力），且使器件在锁定状态下保持较长时间（例如几分钟长的时间）；如果器件对破坏性锁定敏感，这个方法将提高破坏性锁定发生的概率。

2.质子能量180 MeV＜E＜400 MeV的试验流程

一些质子加速器件能够提供的质子束流能量范围在180～400 MeV，对于这个能量范围内的质子，试验时同样也要将质子能量调节至最大后开始测试。按照上述的方法放置DUT，然后分别在0°和85°入射角的情况下辐照器件（考虑到束流线上器件可能未对准，选择85°是一个实际可行的选择。如果选择90°入射角，器件稍微未对准就会导致入射角超过90°，则试验电路板接收的质子会严重衰减）。在较高能量段，如果系统不能容忍单粒子锁定，且记录到单粒子锁定现象，则器件试验测试失败。如果在最大注量水平下，0°和85°入射时都没有记录到单粒子锁定，则器件通过测试，无须再进行后续试验。降低能量重复进行试验就可得到0°和85°入射下的SEL截面。

需注意的是，在航天器系统所处环境中的质子最大能量以下的能量点进行SEL试验将能得到符合SEL加固要求的评估验证。例如，如果质子能量为200 MeV时没有检测到SEL，可通过假设在最大试验通量水平下有一次单粒子锁定发生，就可以确定出质子能量达到200 MeV时的最大SEL率。对于能量在200 MeV到400 MeV的质子，假设每104 proton/cm2的注量发生一次单粒子锁定，并计算最大SEL率（基于质子与器件标准材料相互作用的上限反应速率）。如果应用环境中能量超过200 MeV的质子非常少，这将产生非常低的SEL率。如果质子能量为200 MeV及质子能量在200～400 MeV范围的综合SEL率比可接受的锁定率低，则无须进行进一步的验证试验，可以认为器件通过了SEL值加固保障测试要求。

3.质子能量小于180 MeV的试验流程

不应该利用最大质子能量小于180 MeV的试验设备进行单粒子锁定的质子试验。这是因为用低能质子进行试验时，会明显低估SEL发生的概率。如果不能使用可产生能量大于180 MeV的质子加速器试验设备，则应该用重离子加速器试验设备进行试验。如果重离子试验结果表明器件发生SEL的LET阈值大于40 MeV·cm2/mg，则认为器件几乎不可能由于质子照射引起单粒子锁定。如果SEL的LET阈值小于40 MeV·cm2/mg，则认为器件可能会由于质子照射引起单粒子锁定。如果是这种情形，用户想要得到完整的SEL截面与离子LET值的相互关系来评估器件，则依据重离子SEL验证指导方法进行试验。

（四）质子诱发单粒子烧毁和栅击穿测试流程

质子和重离子都能引起单粒子栅击穿和单粒子烧毁，其两者的试验流程也类似。应当注意的是，在进行质子单粒子栅击穿和单粒子烧毁试验时，质子束流都是垂直入射被照射器件芯片。