在現代航天電子系統中，CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-rate）芯片作為關鍵的通信接口元件，其可靠性與抗輻射性能直接關系到整個系統的穩定運行。由于宇宙空間中存在的高能粒子輻射，芯片可能遭受單粒子效應（Single Event Effects, SEEs），導致功能異常甚至失效。因此，驗證 CANFD 芯片的輻照閾值，即確定其在何種輻射水平下能夠正常工作而不發生不可接受的單粒子效應，是確保航天電子設備可靠性的關鍵環節。激光模擬單粒子效應試驗作為一種高效、可控的地面測試手段，為這一驗證過程提供了有力支持。本文將詳細介紹激光模擬單粒子效應試驗的原理、方法、過程以及如何通過該試驗驗證 CANFD 芯片的輻照閾值。

一、單粒子效應概述

單粒子效應是指高能粒子（如質子、重離子等）穿過半導體器件時，由于電離作用在器件內部產生大量電荷，從而引起器件性能異常的現象。根據不同的表現形式，單粒子效應可以分為多種類型，如單粒子翻轉（SEU, Single Event Upset）、單粒子鎖定（SEL, Single Event Latch-up）、單粒子功能中斷（SEFI, Single Event Functional Interrupt）等。這些效應可能導致存儲器數據錯誤、器件電流異常增加甚至永久性損壞，對航天電子系統構成嚴重威脅。

二、激光模擬單粒子效應試驗原理

激光模擬單粒子效應試驗是利用高能激光束模擬宇宙空間中的高能粒子，通過精確控制激光的能量、注量等參數，研究芯片在不同輻射條件下的響應特性，從而確定其輻照閾值。試驗中使用的皮秒脈沖激光具有極短的脈沖寬度和高能量密度，能夠在芯片內部產生與單粒子效應類似的電荷產生和收集過程。通過改變激光的能量和注量，可以模擬不同LET（Linear Energy Transfer，線性能量傳輸）值的高能粒子對芯片的影響。LET 是描述粒子能量在單位質量物質中傳遞的物理量，與單粒子效應的發生概率和嚴重程度密切相關。

三、試驗方法與過程

（一）試驗樣品準備

試驗樣品為待驗證的 CANFD 芯片，如 SIT1042AQ、TCAN1042HGVD、ASM1042A 等型號。在試驗前，芯片樣品需進行開封裝處理，使樣品正面金屬管芯表面完全暴露，以便激光能夠直接作用于芯片內部的敏感區域。同時，需要精確測量樣品的尺寸，包括芯片的長、寬等參數，為后續的激光掃描和定位提供依據。

（二）試驗裝置與環境

試驗在專業的脈沖激光單粒子效應實驗室進行，實驗室的環境條件（如溫度、濕度等）需嚴格控制，以確保試驗結果的準確性和可重復性。試驗裝置主要包括皮秒脈沖激光器、光路調節和聚焦設備、三維移動臺、CCD攝像機和控制計算機等。其中，皮秒脈沖激光器是核心設備，其產生的高能激光束經過光路調節和聚焦后，能夠精確地照射到芯片樣品的指定位置。三維移動臺用于精確控制芯片樣品的位置和移動軌跡，使激光能夠按照預定的掃描方式進行輻照。CCD攝像機則用于實時觀察芯片樣品表面的激光光斑位置和形狀，確保激光輻照的準確性和均勻性。

（三）試驗步驟

試驗前準備 ：將試驗電路板固定于三維移動臺上，使樣片的長a對應CCD成像的Y軸，寬b對應CCD成像的X軸，樣品CCD成像的左下角作為坐標軸原點，即掃描起點。試驗前需完成實驗系統的調試，驗證芯片是否正常工作。

激光參數設置 ：根據試驗要求，設定激光的頻率、能量和注量等參數。初始激光能量通常設定為較低值（如120pJ，對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg），隨著試驗的進行，逐步增加激光能量，直至芯片出現單粒子效應。

激光掃描與輻照 ：按照預定的掃描方法，使激光以一定的步長和速度覆蓋掃描整個芯片樣品。掃描過程中，實時監測芯片的工作狀態和電流變化，一旦發現芯片工作狀態出現異常（如電流超過正常值的1.5倍），則認為發生了單粒子效應。

數據記錄與分析 ：在試驗過程中，詳細記錄每次激光輻照的參數（如能量、注量等）以及芯片的響應情況（如是否發生單粒子效應、效應類型等）。通過對這些數據的分析，確定芯片的輻照閾值，即在何種激光能量或LET值下芯片開始出現單粒子效應。

四、試驗結果與輻照閾值確定

（一）試驗結果

根據試驗報告，三種型號的CANFD芯片在不同激光能量下的試驗結果如下：

SIT1042AQ型CANFD芯片 ：在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對應 LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始進行全芯片掃描，未出現單粒子效應。當能量提升至920pJ（對應LET值為（37.5±9.25）MeV·cm2/mg）時，監測到芯片發生了單粒子鎖定（SEL）現象。

TCAN1042HGVD型CANFD芯片 ：在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始進行全芯片掃描，未出現單粒子效應。當能量提升至610pJ（對應LET值為（25±6.25）MeV·cm2/mg）時，監測到芯片發生了單粒子功能中斷（SEFI）現象；繼續將能量提升至920pJ（對應LET值為（37±9.25）MeV·cm2/mg）時，監測到芯片發生了單粒子鎖定（SEL）現象。

ASM1042A型CANFD芯片 ：在5V的工作條件下，利用激光能量為120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始進行全芯片掃描，未出現單粒子效應。即使在能量提升至3050pJ（對應LET值為（100±25）MeV·cm2/mg）時，仍未出現單粒子效應。

（二）輻照閾值確定

通過上述試驗結果，可以確定三種芯片的輻照閾值：

SIT1042AQ型CANFD芯片 ：其輻照閾值對應的LET值約為37.5MeV·cm2/mg，即在此LET值下芯片開始出現單粒子鎖定效應。

TCAN1042HGVD型CANFD芯片 ：其輻照閾值對應的LET值約為25MeV·cm2/mg，即在此LET值下芯片開始出現單粒子功能中斷效應；進一步提升能量至37MeV·cm2/mg時，出現單粒子鎖定效應。

ASM1042A型CANFD芯片 ：在試驗所使用的最高激光能量（對應LET值為100MeV·cm2/mg）下，仍未出現單粒子效應，表明其輻照閾值高于100MeV·cm2/mg，具有較高的抗單粒子效應能力。

五、試驗意義與應用

激光模擬單粒子效應試驗作為一種有效的地面測試手段，為CANFD芯片的輻照閾值驗證提供了有力支持。通過該試驗，可以在芯片設計、制造和應用階段提前評估其抗輻射性能，為航天電子系統的可靠性設計提供重要依據。例如，在芯片設計階段，可以根據試驗結果優化芯片的電路結構和工藝參數，提高其抗單粒子效應能力；在芯片制造過程中，可以通過質量控制措施確保芯片的抗輻射性能符合設計要求；在航天電子系統的應用階段，可以根據芯片的輻照閾值合理設計系統的防護措施，降低單粒子效應導致的故障風險。

此外，激光模擬單粒子效應試驗還具有以下優點：

可控性高 ：試驗中可以精確控制激光的能量、注量等參數，能夠模擬不同LET值的高能粒子對芯片的影響，為研究芯片在不同輻射條件下的響應特性提供了便利。

重復性好 ：由于試驗條件的可控性，試驗結果具有較高的重復性，能夠為芯片的抗輻射性能評估提供可靠的統計數據。

安全性高 ：與傳統的加速器輻射試驗相比，激光模擬試驗不需要使用高能粒子束，試驗過程更加安全，對試驗人員和設備的風險較低。

六、結論

激光模擬單粒子效應試驗是驗證CANFD芯片輻照閾值的重要手段。通過精確控制激光的能量和注量，模擬宇宙空間中的高能粒子對芯片的影響，可以有效評估芯片的抗單粒子效應能力。本文以SIT1042AQ、TCAN1042HGVD、ASM1042A型CANFD芯片為例，詳細介紹了激光模擬單粒子效應試驗的原理、方法、過程以及試驗結果。試驗結果表明，不同型號的CANFD芯片具有不同的輻照閾值，通過該試驗可以為芯片的設計、制造和應用提供重要的參考依據。隨著航天技術的不斷發展，激光模擬單粒子效應試驗將在航天電子設備的可靠性評估中發揮越來越重要的作用。

七、未來展望

盡管激光模擬單粒子效應試驗已經取得了顯著的成果，但仍有一些問題需要進一步研究和解決。例如，如何進一步提高試驗的精度和可靠性，以更準確地模擬真實空間環境中的單粒子效應；如何結合其他測試手段（如加速器輻射試驗、空間飛行試驗等），建立更加完善的芯片抗輻射性能評估體系；以及如何針對新型芯片結構和材料，開發更加有效的激光模擬試驗方法等。這些問題的解決將有助于進一步提高航天電子設備的可靠性和安全性，為我國航天事業的發展提供有力保障。

審核編輯 黃宇