多款CANFD芯片单粒子效应对比分析

*附件：ASM1042单粒子效应脉冲激光报告.pdf

一、引言

随着航天、工业自动化等领域的快速发展，通信芯片在各种复杂环境下的可靠性变得至关重要。单粒子效应（Single Event Effect,SEE）是空间辐射环境中影响半导体器件性能的重要因素之一。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-rate）芯片作为一种广泛应用于高可靠通信系统的芯片，其抗单粒子效应能力的评估对于保障系统稳定运行具有重要意义。本文以SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A型CANFD芯片为例，基于单粒子效应脉冲激光试验报告和相关数据手册，对这些芯片的单粒子效应特性进行详细对比分析。

二、单粒子效应概述

单粒子效应是指高能粒子（如质子、重离子等）在穿过半导体器件时，可能引起器件内部电荷产生和收集，从而导致器件性能异常的现象。根据效应类型的不同，单粒子效应可以分为单粒子锁定（Single Event Latch-up,SEL）、单粒子翻转（Single Event Upset,SEU）、单粒子功能中断（Single Event Functional Interrupt,SEFI）等。其中，SEL是由于高能粒子在器件内部产生大量电荷，导致器件内部寄生双极型晶体管导通，形成低阻通路，使器件功耗急剧增加，甚至损坏；SEU是指高能粒子在器件内部产生电荷，导致存储单元或逻辑状态发生翻转；SEFI是指高能粒子引起器件内部逻辑功能异常，导致器件无法正常工作。

三、试验方法与条件

（一）试验方法

本次试验采用皮秒脉冲激光单粒子效应试验装置，通过激光正面辐照试验方法对芯片进行测试。试验中利用不同线性能量传输（Linear Energy Transfer,LET）范围值的等效激光能量对芯片进行辐照，以评估其抗单粒子效应能力。试验过程中，通过控制激光的注量、能量等参数，观察芯片在不同条件下的工作状态变化，并记录相关数据。

（二）试验条件

试验在中关村B481的脉冲激光单粒子效应实验室进行，实验室环境温度为24℃，湿度为42%RH。试验设备包括皮秒脉冲激光器、光路调节和聚焦设备、三维移动台、CCD摄像机和控制计算机等。试验样品为SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A型CANFD芯片，这些芯片均采用BCD工艺，工作电压为5V，封装类型分别为SOIC和DIP。

四、芯片特性概述

（一）SIT1042AQ芯片

SIT1042AQ是一款工业级的CANFD通信接口芯片，芯片大小为2800μm×1600μm，工作电流为24mA。该芯片支持5Mbps的数据速率，具有较短的对称传播延迟时间和快速循环次数，能够在有负载的CAN网络中实现更快的数据速率。此外，它还具备IECESD保护高达±15kV、总线故障保护±58V等多种保护特性。

（二）TCAN1042HGVD芯片

TCAN1042HGVD是一款汽车级的CANFD通信接口芯片，芯片大小为2000μm×1300μm，工作电流为22mA。该芯片同样支持5Mbps的数据速率，并且在EMC性能方面表现出色，支持SAEJ2962-2和IEC62228-3（最高500kbps）无需共模扼流圈。它还具备总线故障保护±70V、VCC和VIO电源终端欠压保护等特性。

（三）ASM1042A芯片

ASM1042A是一款企业宇航级的CANFD通信接口芯片，芯片大小为2800μm×1300μm，工作电流为20mA。该芯片通过AEC-Q100Grade1认证，符合ISO11898-2:2016和ISO11898-5:2007物理层标准。它支持5Mbps的数据速率，具有低功耗待机模式及远程唤醒请求特性，并且具备多种保护特性，如IECESD保护高达±15kV、总线故障保护±70V（H型号）、VCC和VIO（仅限V型号）电源终端欠压保护等。

五、单粒子效应试验结果分析

（一）SIT1042AQ芯片

在5V的工作条件下，SIT1042AQ芯片利用激光能量为120pJ（对应LET值为（5±1.25）MeV·cm²/mg）开始进行全芯片扫描，未出现单粒子效应。当能量提升至920pJ（对应LET值为（37.5±9.25）MeV·cm²/mg）时，监测到芯片发生了单粒子锁定（SEL）现象。这表明SIT1042AQ芯片在较低的LET值下能够正常工作，但在较高的LET值下容易受到单粒子效应的影响，导致器件内部寄生双极型晶体管导通，形成低阻通路，使器件功耗急剧增加，甚至损坏。从数据手册中可知，该芯片的SEL阈值为≥75MeV·cm²/mg（企业宇航级），本次试验结果与数据手册中的指标存在一定差距，这可能是由于试验条件、芯片个体差异等因素导致的。

（二）TCAN1042HGVD芯片

TCAN1042HGVD芯片在5V的工作条件下，利用激光能量为120pJ（对应LET值为（5±1.25）MeV·cm²/mg）开始进行全芯片扫描，未出现单粒子效应。当能量提升至610pJ（对应LET值为（25±6.25）MeV·cm²/mg）时，监测到芯片发生了单粒子功能中断（SEFI）现象，继续将能量提升至920pJ（对应LET值为（37±9.25）MeV·cm²/mg）时，监测到芯片发生了单粒子锁定（SEL）现象。这说明TCAN1042HGVD芯片在中等LET值下就可能出现SEFI故障，导致器件内部逻辑功能异常，无法正常工作，而在较高的LET值下也会发生SEL故障。与SIT1042AQ芯片相比，TCAN1042HGVD芯片在单粒子效应方面表现出更高的敏感性，尤其是在SEFI故障方面。这种差异可能与芯片的内部电路结构、制造工艺等因素有关。

（三）ASM1042A芯片

ASM1042A芯片在5V的工作条件下，利用激光能量为120pJ（对应LET值为（5±1.25）MeV·cm²/mg）开始进行全芯片扫描，未出现单粒子效应。即使在能量提升至3050pJ（对应LET值为（100±25）MeV·cm²/mg）时，也未出现单粒子效应。这表明ASM1042A芯片具有较强的抗单粒子效应能力，在较高的LET值下仍能保持正常工作。根据数据手册，ASM1042A芯片的SEL阈值为≥75MeV·cm²/mg（企业宇航级），本次试验结果表明其实际抗单粒子效应能力可能远高于此阈值。这可能得益于其在设计和制造过程中采取的多种抗辐射加固措施，如优化的电路布局、增强的保护特性等。

六、单粒子效应影响因素分析

（一）芯片工艺

芯片工艺对单粒子效应的影响主要体现在器件内部结构和材料特性上。SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A芯片均采用BCD工艺，这种工艺在一定程度上能够提高芯片的抗单粒子效应能力。然而，不同的芯片在工艺细节上可能存在差异，如掺杂浓度、晶体管尺寸等，这些差异会影响芯片对单粒子效应的敏感性。例如，较高的掺杂浓度可能会增加器件内部电荷的产生和收集，从而提高芯片对单粒子效应的敏感性；而较小的晶体管尺寸可能会降低器件的抗单粒子效应能力，因为较小的器件更容易受到高能粒子的穿透和影响。

（二）芯片结构

芯片的内部电路结构对其抗单粒子效应能力也有重要影响。SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A芯片虽然都属于CANFD通信接口芯片，但它们的内部电路结构可能存在不同。例如，不同的芯片可能采用不同的逻辑电路设计、存储单元结构等。逻辑电路设计会影响芯片在受到单粒子效应时的逻辑功能表现，复杂的逻辑电路可能会更容易出现SEFI故障；而存储单元结构则会影响芯片对SEU的敏感性，采用冗余设计或纠错编码的存储单元能够提高芯片的抗SEU能力。

（三）工作条件

芯片的工作条件，如工作电压、工作电流等，也会对其抗单粒子效应能力产生影响。在本次试验中，所有芯片均在5V的工作电压下进行测试。一般来说，较高的工作电压可能会增加芯片内部电场强度，从而提高芯片对单粒子效应的敏感性。而工作电流则会影响芯片的功耗和散热情况，较大的工作电流可能会导致芯片在受到单粒子效应时更容易出现SEL故障，因为较大的功耗会使芯片内部温度升高，进一步加剧器件内部寄生双极型晶体管的导通。

七、单粒子效应防护措施

（一）硬件防护

硬件防护措施主要包括采用抗辐射加固器件、优化电路布局、增加屏蔽材料等。抗辐射加固器件是通过特殊的制造工艺和设计方法，提高器件的抗单粒子效应能力。例如，采用深亚微米工艺制造的器件，其晶体管尺寸较小，能够减少高能粒子的穿透概率；而采用多晶硅栅极结构的器件，则能够提高器件的抗电离辐射能力。优化电路布局可以减少高能粒子对关键电路的影响，例如将存储单元和逻辑电路分开布局，可以降低SEU和SEFI故障的发生概率。增加屏蔽材料可以有效阻挡高能粒子的穿透，例如在芯片表面增加一层金属屏蔽层，能够减少高能粒子对芯片内部的影响。

（二）软件防护

软件防护措施主要包括采用冗余设计、纠错编码、故障检测与恢复等方法。冗余设计是指在系统中增加多个相同的芯片或电路模块，当其中一个芯片或模块受到单粒子效应影响而出现故障时，其他芯片或模块可以继续正常工作，从而提高系统的可靠性。纠错编码是一种在数据存储和传输过程中检测和纠正错误的方法，通过在数据中添加冗余信息，可以检测和纠正由于SEU等单粒子效应引起的错误。故障检测与恢复是指通过软件程序检测芯片是否出现故障，并在出现故障时采取相应的恢复措施，例如重新启动芯片、清除错误状态等。

八、结论

通过对SIT1042AQ、TCAN1042HGVD和ASM1042A型CANFD芯片的单粒子效应脉冲激光试验结果进行对比分析，可以得出以下结论：

不同型号的CANFD芯片在抗单粒子效应能力上存在显著差异。SIT1042AQ芯片在较低的LET值下能够正常工作，但在较高的LET值下容易出现SEL故障；TCAN1042HGVD芯片在中等LET值下就可能出现SEFI故障，而在较高的LET值下也会发生SEL故障；ASM1042A芯片则具有较强的抗单粒子效应能力，在较高的LET值下仍能保持正常工作。

芯片工艺、芯片结构和工作条件等因素对单粒子效应的影响较大。不同的芯片工艺和结构会导致芯片对单粒子效应的敏感性不同，而工作条件的变化也会影响芯片的抗单粒子效应能力。为了提高芯片的抗单粒子效应能力，可以采取硬件防护和软件防护措施。硬件防护措施包括采用抗辐射加固器件、优化电路布局、增加屏蔽材料等；软件防护措施包括采用冗余设计、纠错编码、故障检测与恢复等方法。

综上所述，对于需要在复杂环境下工作的CANFD芯片，应根据其应用场景和可靠性要求，选择合适的芯片型号，并采取相应的防护措施，以提高系统的抗单粒子效应能力，确保系统的稳定可靠运行。同时，进一步的研究和开发工作也应致力于提高芯片的抗单粒子效应能力，以满足日益增长的高可靠通信需求。

审核编辑 黄宇