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什么是阿尔法粒子辐射

嘉峪检测网        2019-03-22 15:15

阿尔法粒子辐射

 

1、阿尔法粒子辐射简介

      作为核反应原料的235U、238U以及它们的子体同位素(如232Th)是比较常见的放射性元素。由于地球上天然存在着大量的235U(0.72%)、238U(99.2%)和232Th(100%),使得这些元素极易出现在半导体器件的各种材料中,如模塑料、焊球、填充料等。同时,半导体器件的焊点中总是存在着极微量的210Po。这些重放射性同位素通常发生阿尔法衰变,持续不断地释放出能量大约为4 MeV-9 MeV的阿尔法粒子。带有能量的阿尔法粒子入射至半导体器件有源区,沿其径迹产生高密度的电子-空穴对,电子-空穴对在器件电场的作用下发生分离后被节点收集,进而引起半导体器件发生单粒子效应(包括单粒子翻转、单粒子锁定和单粒子烧毁、单粒子栅击穿等),其危害包括数据丢失、功能中断等恶劣影响。阿尔法粒子对电路系统的影响可能是致命的,比如若阿尔法粒子在CPU的指令缓存中引起软错误,将导致CPU不能执行预期的功能。

阿尔法粒子辐射

图 1 放射性杂质衰变释放出阿尔法粒子

 

      在一个封装好的芯片中,阿尔法辐射源可能来自于封装材料、芯片材料、引线材料以及半导体器件制造工艺中使用的材料,如图 2所示。其中离芯片越近的材料其放射的阿尔法粒子的影响也越大。对于一个在严格控制的制造环境下生产的器件,阿尔法辐射源主要来自于封装材料,而不是半导体制造工艺中使用的材料。

 

阿尔法粒子辐射

图 2 一个封装芯片中可能的阿尔法粒子来源

 

2、焊料中的阿尔法粒子

 

     焊料合金中存在容易发生阿尔法衰变的重金属元素,如铅、铋等。以铅为例,铅有四种稳定(非放射性)同位素204Pb、206Pb、207Pb、208Pb和一种放射性同位素210Pb。其中,210Pb衰变会形成高能量的阿尔法辐射体210Po,是阿尔法粒子的主要来源之一。

      阿尔法粒子辐射存在于所有的半导体器件中,大量案例表明阿尔法粒子产生的软错误会导致电子设备发生数据丢失、功能异常等危害;即使花费巨大代价对所用材料进行放射性杂质提纯,目前国际上也仅能做到超低发射率等级(即0.001alpha/cm2/hr),仍然无法避免阿尔法粒子引起的软错误。

 

3、事故案例

 

     自1970年代DRAM被发明之后,阿尔法粒子软错误开始受到行业的关注。最早发现的地面辐射环境相关的软错误就是阿尔法粒子引起的。1978年,英特尔公司的一批DRAM产品故障率出现了显著提高。调查发现由于该批芯片的封装厂所用的水源被上流的铀污染,导致最后的芯片封装中含有较高含量的放射性铀。研究发现芯片封装材料中的微量放射性污染物衰变会释放出阿尔法粒子,这些阿尔法粒子入射到电路的敏感节点,产生的电子-空穴对被有效收集,进而产生软错误[1]。

      由于阿尔法粒子引起的软错误与大气中子引起的软错误在半导体器件中共同出现,二者的贡献比例随器件工艺水平发展的变化趋势一直是行业研究的重点和前沿。由下图可见,阿尔法粒子引起的软错误率是半导体器件发生的总软错误率的重要组成部分。

 

阿尔法粒子辐射

图 3 阿尔法粒子和大气中子SER随特征尺寸的变化趋势[2]

 

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来源:赛宝可靠性