微电子概论与前沿技术 课件 第10章　微电子与航空航天

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Microelectronics微电子概论与新进展微电子与航空航天篇目录123章节介绍航空微电子系统抗辐照集成电路4航空专用集成电路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景3章节解析一、章节介绍航空航天电子系统航电系统系统约束存储器核心处理器航空专用集成电路掌握知识：航空航天电子系统介绍及组成约束掌握知识：辐照影响与抗辐照加固技术掌握知识：存储器与核心处理器分类系统组成航空微电子特征抗辐照集成电路电离剂量辐射单粒子效应系统级加固电路和版级加固目录123章节介绍航空微电子系统抗辐照集成电路4航空专用集成电路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景5航空电子系统二、航空电子系统航空电子系统：简称航电系统，是指飞机上所有电子系统的总称。它是集成了计算机、通信、导航、显示、控制等多种技术的综合性系统典型航空电子系统应用：机载雷达、航空通信系统、导航系统、自动飞行系统、自动油门系统、敌我识别系统及电子自卫系统等航空电子系统约束：飞机上的任何设备都必须满足一系列苛刻的设计要求。建造航空电子系统的必要条件是飞行控制系统在任何时候都不能失效。因此，航电系统包含如下约束：集成度：从航空电子工业的发轫时期开始，如何在离散数据线上传递开关变量的简单问题，如今已演化为如何协调光线数据总线传递的飞行控制数据的繁杂问题。对于大型飞机（如军用飞机及民用飞机），经常需要数百名飞机工程师来集成这些复杂系统v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景6航空电子系统约束二、航空电子系统物理环境：目前所有的航空电子系统都需要通过特定水平的环境测试。随着航空电子设备的广泛应用，各种适航认证机构（如英国的CAA或美国的FAA）规定了这些设备必须达到的性能标准。飞机制造商则在此基础上规定了这些设备必须达到的环境标准。目前提供给航空电子设备制造商的航电标准有BS3G100、MIL-STD-810、DEFSTAN00-35等电磁兼容性：EMC，评估电力电子系统相互影响的重要指标。电磁兼容性可导致各种问题出现。飞机及其设备的测试一般使用测试范围更广的特定标准，如DEFStan59-41、MIL-STD-464等振动：振动对飞机可靠性的影响很大，尤其是对直升机的可靠性的影响大，振动已成为飞机设计中最主要的驱动因素系统安全性：要定期对飞机上的所有零部件进行系统安全性分析。安全性设计一般表述为可靠性及耐用性，其对飞机设计方法的影响极大。任何应用于航空电子系统的软件都要接受严格的安全性审查质量：航空电子设备的采购在全球范围内已被少数巨头垄断。如今ISO9001颁布的质量标准虽然已被主要工业采用，但是主要的飞机制造商对于他们交付的文档和硬件还有更为严格的标准v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景7航空电子系统组成二、航空电子系统飞机电子系统：在任何飞机上，驾驶舱都处于航电系统最显著的位置。对飞机安全性很关键的系统都为航空电子系统。包括如下分类：通信系统：远程通信爆发式的增长意味着飞机（民用飞机和军用飞机）必须携带很多通信设备。其中，一小部分通信设备提供了关乎乘客安全的空地通信系统。机载通信是由公共地址系统和飞机交互通信提供的导航系统：作用为确定地球表面以上的位置和方向，辅助飞行员进行操作显示系统：负责检查关键的传感器数据，这些数据能指导飞机在严苛的环境里安全飞行。按飞行控制软件的要求开发出来，它们对飞行员同等重要。显示系统以多种方式确定飞机的高度和方位，并安全、方便地将这些数据提供给机组人员飞行控制系统：自动飞行驾驶系统在大部分时间里（如巡航或直升机悬停时）能够减少飞行员的工作负荷和可能出现的失误防撞系统：检测出附近的其他飞机，并提供防止空中相撞的指令。为了防止飞机和地面相撞，在飞机上安装了地面迫近警告系统GPWS，该系统通常含有一个雷达测高计气象系统：对于夜间飞行或指令指挥飞行非常重要，适用于飞行员无法看到前方的情况。当前，气象系统有了三项最重要的改革。首先，气象系统设备已经便宜很多了，甚至可以装备在小型飞机上了。其次，飞行员除可以使用气象雷达和闪电探测器外，还可以通过连接卫星数据获得远超过机载系统本身能力的雷达气象图像。最后，现代显示系统可以将气象信息及其移动地图、地形、交通等信息集成在一个屏幕上，大大方便了飞行v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景8航空电子系统组成二、航空电子系统战术任务系统：更大的具有飞行功能的传感器平台（如E-3D、JSTARS、ASTOR、NimrodMRA4、MerlinHMMk1）除安装有飞行管理系统以外，还安装有战术任务系统，包括如下内容：军用通信系统：而军用通信系统则主要用于严酷的战场环境中。军用UHF、甚高频（VeryHighFrequency，VHF）（30～88Mz）通信、使用ECCM方法的卫星通信和密码学构成了战场上安全的通信环境。数据链系统，如Link11、16、22，BOWMAN，JTRS，甚至TETRA提供了数据（如图像、目标信息）传输方法空中雷达：空中雷达最引人注目的变化就是其可以在超远距离内提供高度信息。这类雷达包括早期预警雷达、反潜雷达、气象雷达（ARINC708）和近地雷达声呐：好多军用直升机上都安装了探水声呐，用以保护舰队免遭潜艇和水面敌舰的攻击。水上支援飞机可以释放主动式或被动式声呐浮标，用以确定敌方潜水艇的位置光电系统：光电系统覆盖的系统或设备范围很广，包括前视红外系统和被动式红外设备。这些系统或设备可以为机组人员提供红外图像。机组人员可以根据这些图像获得更高的目标分辨率，从而开展搜救活动电子预警：电子预警措施包括电子支援措施和防御支援措施。电子支援措施及防御支援措施常用于搜集威胁物或潜在威胁物的信息。它们可以辅助发射武器（有时是自动发射）直接攻击敌机，也可用于确认威胁物的状态，甚至辨识它们v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景9航空微电子二、航空电子系统F22航空电子系统结构与航空相关的微电子技术发展有如下几个方面：超高速集成电路：在第三代、第四代战斗机上，数字式航空电子设备仍主要采用硅超高速集成电路，主要用于雷达、火控系统、电子对抗系统等。超高速集成电路是实现机载设备小型化的关键。例如，F-111等飞机的电子对抗吊舱采用线宽为

1μm的8种超高速集成电路后，集成电路的总数由原来的19813个降低到1872个，设备体积减小10倍，平均无故障时间提高60倍；专用集成电路：专用集成电路是根据用户特殊要求而制造的微电子芯片，航空电子设备采用该芯片后，其体积将减小、重量会减轻，能有效地提高航空电子设备的可靠性和保密性。例如，美国为第四代机的航空电子系统研制的微电子电路，其专用集成电路约占80%微电子技术推动航空电子综合化、模块化：从系统的观点出发，始终着眼于整体与部分、整体与环境之间的关系，整体地、综合地考察研究对象，在整体与部分相互依赖、相互结合、相互制约的关系中揭示系统的特性和运动规律，并对其组成、结构、功能、联系方式等进行综合研究，从而实现航空电子系统的综合最优化。图

为F-22飞机的航空电子系统结构，从该图中可以看出航空电子系统综合化、模块化的发展方向v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景10航空微电子特征二、航空电子系统航空微电子技术具有专用性、特殊性、关键性和周期长的特征专用性：航空微电子器件主要是根据航空型号总体系统或分系统提出的各种特殊要求而研制的专用产品特殊性：航空型号的特殊应用背景和环境决定了与其配套的电子元器件的特殊性。作为航空产品，航空微电子器件必须具有适应空间特定环境的长寿命、高可靠性、低气压、低功耗、全温区、抗辐照、抗空间单粒子效应、抗深空冷焊、抗核等特殊性能专用性特殊性关键性技术特性长周期性关键性：电子元器件是导弹、卫星、运载火箭和地面站设备不可缺少的重要组成部分，是航空型号提高性能的主要技术基础。现代战争是信息战、电子战，越是新式武器，其电子科技含量越大，“武器电子化，电子武器化”是各国军事装备发展的主流。因此，航空微电子技术是航空型号系统的关键技术，是航空型号向高可靠、小型化、轻量化、信息化、多功能化、智能化发展，实现快速反应、机动灵活、高效可靠、精确打击的关键技术长周期性：航空型号一旦确定，相应的所有电子元器件的性能、状态都必须随之固定，不能随意更改，且必须在航空型号的全寿命周期内保证供货。一个航空型号的使用寿命一般为20～30年，这就要求相应的航空微电子产品能维持20～30年的供货周期，这与一般的民用产品的迅速更新换代是完全不同的目录123章节介绍航空微电子系统抗辐照集成电路4航空专用集成电路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景12抗辐照集成电路三、抗辐照集成电路与加固技术MOS管是CMOS工艺中的主要器件，它的辐射效应也是最受人们关注的。由于MOS管结构复杂，包含导体、半导体和电介质，因此其对总电离剂量辐射效应和单粒子效应都比较敏感。MOS管在一般的抗辐射环境下需要考虑这两种效应：总电离剂量辐射效应：在NMOS管的栅极加正电压，正电荷在氧化物和沟道界面堆积；在PMOS管的栅极加负电压，正电荷在栅极和绝缘层界面堆积。此外，当带正电的导体（如金属或多晶硅）从两个N型掺杂区（如N型扩散和N阱）之间的绝缘层上方通过时，该绝缘层表面也会堆积正电荷MOS管受总电离剂量辐射效应影响产生的正电荷堆积情况N型掺杂区间漏电流通过v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景13总电离剂量辐射效应三、抗辐照集成电路与加固技术总电离剂量辐射效应会带来如下结果：绝缘层表面的电荷使绝缘层的绝缘性能变差，在NMOS管的源极、漏极及NMOS管和N阱之间引入漏电流通路。相比之下，由于PMOS管的正电荷在栅极和绝缘层界面堆积，无法形成直接的电流通路，因此从这点来说PMOS管的抗辐射水平高于NMOS管MOS管的特性曲线会因正电荷的堆积而发生偏移。对于NMOS管来说，栅氧中的正电荷相当于在NMOS管的栅极加了一个正电压，这样NMOS管的特性曲线会向负电压偏移。图为辐射前后NMOS管的C-V和I-V曲线。C-V曲线的最小值反映了NMOS管从空间电荷区到反型区的转换点，NMOS管的平带电压和阈值电压都朝负向偏移。当栅氧中堆积的电荷足够多时，NMOS管可能难以关断，即在零偏压下也导通。在PMOS管工作时对栅极加负电压，辐射致电荷使得特性曲线朝正向偏移辐射前后NMOS管的C-V和I-V曲线v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景14单粒子效应三、抗辐照集成电路与加固技术单粒子效应是单个高能粒子穿过物质时在其路径上和物质发生电离作用产生大量电子-空穴对，在半导体内引发瞬时大电流而产生的辐射效应。单粒子效应种类很多：在晶闸管结构中存储节点引起单粒子翻转事件效应SEU，在逻辑电路中引起单粒子瞬态效应SET、单粒子锁定事件效应SEL，在栅面积较大的MOS管中引起单粒子栅穿效应SEGR，以及在大功率MOS管中引起单粒子烧毁事件效应SEB等SEU效应：总电离剂量辐射效应所引起的存储器件（如寄存器、锁存器、触发器、存储器存储单元）内部逻辑状态改变。SEU效应通常是一种软错误，翻转的逻辑状态可以在下一次操作中被更改过来。尽管SEU效应不会导致持续的器件损坏，但是它可能导致整个电路系统持续性失效。临界电荷：在一个器件中导致单粒子翻转的最小电荷量，计算公式为

，式中Qcrit为临界电荷量，Cs为敏感节点电容；△Vcrit为敏感节点可接受的最大电压变化量SET效应：SET效应和SEU效应产生的起因相同，只是发生SET效应的节点不具有存储功能，因此翻转的逻辑状态不能保持，能很快被正确的输入信号覆盖v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景15单粒子效应三、抗辐照集成电路与加固技术SEL效应：通常发生在CMOS工艺中的一种特殊的寄生晶闸管（又称可控硅）中。上图为CMOS反相器中的寄生晶闸管，其由NMOS有源区、P阱、N阱及PMOS有源区构成。寄生晶闸管的I-V特性曲线如下图所示。其中，Is是能够使寄生晶闸管导通从高阻区进入微分电阻区的最小电流，Ih是保持寄生晶闸管在微分电阻区的最小电流，Vs和Vh是分别对应这两个电流的电压。简言之，Is和Vs是开启寄生晶闸管的电流和电压，Ih和Vh则是保持寄生晶闸管导通的电流和电压在通常情况下，商用CMOS工艺的设计规则是保证CMOS集成电路中的寄生晶闸管都处于关断状态。但是带电粒子入射会在N阱和P阱中引起额外的瞬时电流，当该电流足够大时，寄生晶闸管就会导通当VT1和VT2的增益之积大于1时，流过寄生晶闸管的电流形成正反馈，当流过电源和地的电流大于开关电流时，电源和地之间的电流会迅速增大，SEL效应发生。通常维持闩锁状态的电压远小于电路的电源电压，即使单粒子引起的瞬时电流已经消失，晶闸管仍然会被保持在低阻状态。这样，电流会持续增大，直到芯片烧毁或断电CMOS反相器寄生晶闸管寄生晶闸管I-V特性曲线v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景16加固技术三、抗辐照集成电路与加固技术闩锁保护技术的一种实现方式MOS管的抗辐射水平在很大程度上依赖于工艺制造技术，如表面清洁度、衬底掺杂浓度、硅栅掺杂浓度、退火程度等。工艺的选择主要依赖于对整个芯片性能和成本的考量。MAPS芯片选择商用CMOS工艺，应当从电路和系统角度出发，对该芯片上SRAM的抗辐射水平进行加固系统级加固：SRAM中主要的辐射效应TID效应、SEL效应和SEU效应都可以通过系统设计来减轻。TID效应是随时间的推移而积累的，常见的做法是在系统中做多个SRAM模块交替使用，暂不使用的模块断电退火。为了防止芯片被SEL效应损坏，必须在系统级避免出现SEL效应，这可以通过闩锁保护技术LPT来实现闩锁保护技术：指当电源线中的电流达到某个预设值时（闩锁效应被认为发生），保护电路会自动断电一段时间，以防止电路被损坏的一种技术。在SRAM芯片的电源线上加一个检测电阻，通过检测电阻两边的电压来测试通过SRAM芯片的电流。随着SRAM电源线中电流的增大，SRAM供电电压会降低。当电流远超出SRAM正常工作的最大电流时，即当SRAM供电电压等于预设的参考电压VREF时，可以认为闩锁效应发生，此时应断开SRAM的电源电压以防止SRAM芯片被烧毁v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景17系统级加固三、抗辐照集成电路与加固技术三态冗余技术原理图检错纠错技术原理框架三态冗余TMR技术：使用该技术的前提是SEU事件是一个小概率事件。为了加强一个电路模块的抗SEU能力，需要将同样的电路模块复制两个，并对3个电路模块的结果进行比较，结果中的多数会作为最后的输出结果。也就是说，当其中一个电路模块受辐射影响发生翻转时，另外两个是一致的，通过投票选择，多数值会被输出。而如果两个电路模块或两个以上电路模块同时发生翻转，则该方法失效。TMR技术实现的硬件开销较大，相当于原来电路的三倍以上检错纠错技术：通过对原始数据增加校验码的方式来实现的。最常用的编码算法有奇偶校验码、汉明码、循环冗余码CRC等。通过这些编码算法识别数据在存储过程中是否发生错误并输出错误标识，主控芯片根据标识可以选择忽略、重发等处理方式。汉明码还可以实现数据纠错检错纠错技术原理：如图所示，首先对原始数据进行编码产生校验码，然后将原始数据和校验码同时写入存储器，在存储器的输出端对数据进行译码校正。依据不同算法的能力，校验码能够指出是否发生翻转或定位发生翻转的位置，这样原始数据就能够依据校验码进行恢复，最终能够被检测和修正的错误的位数取决于编码算法v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景18电路和版图级加固三、抗辐照集成电路与加固技术标准六管存储单元原理图和版图标准六管存储单元是商用CMOS工艺中最常见的SRAM存储单元。为了提高单位面积上存储单元的密度，阱和衬底的接触通常放在一个特定的行或列中，由一个小的存储阵列共享。正是由于这种共享，阱和衬底的接触离晶体管源端较远，SEL效应很容易被衬底或阱中的瞬时电流激发。可以通过增加阱和衬底的接触来减小SEL效应发生的概率及其阈值，特别是可以在PMOS管和NMOS管之间加入保护环。加入保护环可以减小衬底电阻，使得辐射产生的瞬时电流不能产生足够的压降来触发SEL效应。保护环也可以吸收部分电荷，从而减少到达敏感节点的电荷。因此，加入保护环可以降低SEU效应发生的概率应用TID效应的抗辐射技术将NMOS管的栅画成环形，以消除普通版图中边缘寄生的晶体管。但是，环栅版图的宽长比较大（深亚微米工艺下宽长比大于10）。在标准六管存储单元中，PMOS管和NMOS管有一定的比例以保证数据的正确写入和读出，因此采用环栅结构画出来的环栅版图面积通常很大（是加固前的5倍以上），环栅结构适合在面积宽裕的情况下使用，不适用于高密度存储器。v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景19抗辐照集成电路三、抗辐照集成电路与加固技术电阻加固的SRAM单元一种降低六管存储单元SEU效应发生概率的方法是降低辐射引起的电压脉冲幅度。对于同样的电荷量在敏感节点所产生的电压的峰值，可以通过增加节点电容和电阻来降低。电阻加固的SRAM单元如图所示。通常为了达到较高的存储单元密度，可能需要复杂的工艺技术来实现栅上的大电阻。在图中，P3、P4、N3、N4被用作电阻。采用这种加固方法的主要代价是增加面积和存取时间SEU效应加固单元DICESEU效应加固单元DICE如图所示。该存储单元的存储部分由8个反相器，即四组锁存器组成。每个反相器由单个NMOS管或PMOS管构成。当四组锁存器中的一组发生翻转时，相邻的两组锁存器会起到隔离作用，使错误不能继续传输。例如，N1和P1构成的锁存器中数据Q1和Q2发生翻转，N3和P3构成的锁存器中数据Q3和Q4不会受到影响。当粒子消失时，数据Q1和Q2可以由数据Q3和Q4恢复。因此，只有一个节点发生翻转时，数据可以被恢复目录123章节介绍航空微电子系统抗辐照集成电路4航空专用集成电路v西工大微电子学院School

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Microelectronics一、技术背景21存储器四、航空专用集成电路嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含高速缓存、主存储器和辅助存储器。这些存储器的介质、工艺、容量、价格、读写速度和读写方式各不相同，嵌入式系统需根据应用需求巧妙地规划和利用这些存储器，使得存储系统既满足应用对容量和速度的需求，又有较大的价格竞争优势在存储器结构中，上一层存储器为下一层存储器的高速缓存。CPU内部寄存器是Cache的高速缓存