功率集成电路中抗辐照技术研究与设计

摘要

智能功率模块能将功率器件与控制信号集成为一体，因此广泛应用于航空航天、汽车电子、家用电器等领域的各类驱动电路的设计中。为了提升芯片的性能的同时减小功率器件的开关损耗，需要使得电路的工作频率不断变高，此外粒子辐照效应对器件乃至电路的不利影响也频繁发生，因此，电路的高速工作将使得智能功率模块的可靠性必须被主要考虑。由于空间辐照效应对民用和军用航天器的影响，高压集成电路的抗辐照加固技术变得日益重要。本文基于华润上华公司（CSMC）的1μm600V BCD工艺平台，说明了总剂量效应对5V MOS器件的影响及主要加固手段。 本文重点注了高压栅驱动电路中电平位移模块的高速工作状态可靠性和单粒子效应引起的电压电流脉冲的问题，并采用了Cadance公司的Hspice工具和Silvaco公司的ATLAS工具进行了必要的仿真模拟。通过对窄脉冲产生电路的基本原理以及导致高速工作出现问题的原因进行了分析，选取了非对称窄脉冲的解决方案，改善了生成的两路窄脉冲宽度。改善后的电路可识别输入控制信号的脉宽从100ns左右提升到10ns左右，提升幅度达到了85%，通过电路关断优先的设计思路，大大降低单粒子烧毁（SEB）的概率。此外，本文通过对RS触发器自身存在的不确定状态输出进行了分析，明确了RS触发器输入端会受到单粒子翻转效应（SEU）的影响，以及RS触发器的输出端会受到单粒子瞬态效应（SET）的影响。通过仿真对比，提出了新型抗SEU和SET的RS触发器，对比传统的RS触发器可以很好的改善单粒子效应带来的不利影响，提升RS触发器在单粒子影响下的稳定性。 因此，本设计采用的非对称窄脉冲方法和消除RS不确定状态的方法可以很好的提高高压电平位移电路抗单粒子效应的能力，从而在保证低功耗需求的同时，提高设计电路的可靠性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 宇宙空间辐射环境

1.2 空间辐射的基本效应

1.3 国内外研究的历史与现状

1.4 本文主要工作

1.5 本论文的结构安排

第二章 总剂量效应和单粒子效应辐照原理

2.1 总剂量效应（TID）辐照原理

2.1.1 电离辐射电荷的产生

2.1.2氧化层陷阱电荷

2.1.3 界面态陷阱电荷

2.2 总剂量效应对MOS器件性能的影响

2.2.1 阈值电压的负漂移

2.2.2 边缘漏电

2.2.3 跨导退化

2.2.4 外加电场对总剂量辐照的影响

2.2.5 CMOS反相器的工作原理及总剂量效应的影响

2.2.6 抗总剂量效应手段

2.3 单粒子效应（SEE）辐照原理

2.3.1 单粒子效应的分类

2.3.2 单粒子翻转（SEU）效应的机理

2.3.3 单粒子瞬态效应（SET）的机理

2.4 辐照效应的仿真方法

2.5 本章小结

第三章 高压电平位移电路噪声问题及单粒子效应仿真验证

3.1 栅驱动电路及高压电平位移模块

3.1.1 窄脉冲产生电路

3.1.2 RS波形恢复电路

3.2.1 栅驱动电路的dV/dt噪声

3.2.2 RS触发器的单粒子效应

3.3 本章小结

第四章 抗高dV/dt噪声及单粒子效应的设计与仿真

4.1 抗高dV/dt噪声的设计与仿真验证

4.2.1 RS触发器抗单粒子翻转效应的设计

4.2.2 RS触发器抗单粒子瞬态效应的设计

4.3 本章小结

第五章 流片与测试

5.1 栅驱动电路的版图设计

5.2 最终流片测试结果

5.3 本章小结

第六章 总 结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果