基于阻抗谱技术的60Co伽马辐照对低压差分信号接收器总电离剂量效应分析

《Radiation Physics and Chemistry》：60Co gamma irradiation effects on Low-Voltage Differential Signaling (LVDS) receivers: Analysis with impedance spectroscopy

本研究针对高辐射环境下应用的LVDS接收器的可靠性问题，创新性地将电化学领域成熟的阻抗谱技术应用于电子元器件辐照效应分析。研究人员对TI公司的LVDS接收器施加了15.4 kGy的60Co伽马辐照，通过IS结合I-V测试，在传统方法未检测到波形参数显著变化的情况下，成功揭示了辐照在电源网络、ESD保护电路及输出缓冲器等关键部位的微观损伤机制，为辐射效应研究和抗辐射设计提供了新的有效工具。

　　

在太空探索、核物理实验、医疗成像等前沿领域，电子设备常常需要在高辐射环境中稳定运行。辐射，特别是伽马射线，会对半导体器件造成累积性损伤，即总电离剂量效应，导致器件性能退化甚至失效。低压差分信号技术因其高速、低功耗、抗干扰能力强的优点，被广泛应用于这些领域的高速串行链路中。然而，关于LVDS器件在极高剂量辐射下的可靠性研究却相对匮乏，传统的测试方法有时难以捕捉到器件内部细微的损伤。这就像试图通过观察汽车能否启动来判断其发动机内部零件的磨损情况一样，往往不够灵敏和深入。

为了更深入地探究LVDS接收器在强辐射下的真实表现，一个由Pierluigi Casolaro、Vincenzo Izzo、Alberto Aloisio等人组成的研究团队开展了一项创新性的研究。他们不再满足于常规的电流和波形测试，而是将一种在电化学和材料科学中广泛应用的高灵敏度分析技术——阻抗谱，引入了辐射效应研究领域。这项研究旨在揭示超高剂量伽马辐照后，LVDS接收器内部那些“看不见的损伤”，其成果发表在《Radiation Physics and Chemistry》期刊上。

研究人员为完成此项研究，主要采用了几个关键技术方法。首先是设计了包含输入板、待测器件板和读出板的三板测试系统，用于在辐照过程中远程监控10个德州仪器的LVDS接收器（型号DS90LV048ATM/NOPB）的电流和波形。其次，在CERN的CC60设施中，使用⁶⁰Co伽马射线源对待测器件进行了剂量高达15.4 kGy（剂量率364 Gy/h）的辐照，并通过射频铬胶片剂量法进行了剂量验证。研究的核心方法是利用Solartron ModuLab-XM ECS系统进行的阻抗谱测量和I-V特性曲线测量，通过扫描频率从1 Hz到1 MHz，并结合等效电路模型拟合，来分析器件不同部分（如电源网络、静电放电保护电路、差分输入对和输出缓冲器）的阻抗响应变化。

3.1. TID effects on supply current and waveforms

通过监测辐照过程中的电源电流，研究人员发现电流先增加后略有下降，总体变化约6%，但眼图、上升/下降时间、误码率等关键动态参数在辐照前后未观察到变化，甚至共模电压范围还超出了数据手册的指标。这表明在功能层面，器件表现出惊人的耐受性。

3.2. Power rail network

阻抗谱分析揭示了更深层次的影响。对电源网络的测量显示，辐照后其阻抗模量在电阻性区域降低了约1.6倍，特征频率从274.6 kHz移至445 kHz。通过等效电路拟合，发现了一个由芯片内部金属电源环形成的约96 pF的集总电容，其值在辐照前后保持不变。然而，代表电荷俘获/去俘获过程的第二个时间常数却在辐照后增大了三个数量级，达到毫秒级，这是传统I-V测试无法探测到的微观损伤。

3.3. ESD input network

对静电放电保护电路的I-V测量显示，在低于6V击穿电压时，辐照后漏电流减小了40%。阻抗谱分析进一步表明，静电放电电路在5 kHz以上频率表现出RC并联网络特性，其击穿触发频率和相关的电容值（约5 pF）未受辐照影响，但泄漏电阻略有降低（约7%）。这说明了静电放电保护在交流条件下的响应特性。

3.4. Threshold voltage at V_IN+=1 V and input current vs. common mode voltage at V_diff=0 V

通过测量差分输入对的阈值电压，发现开关阈值范围（30-120 mV）在辐照后保持不变，但在V_IN+=1 V配置下，电流有高达15%的变化。而当输入差分电压为零时，改变共模电压所测得的输入电流则未受辐照影响。

3.5. Output driving capabilities

输出驱动能力测试发现，在驱动小电流时（如-1 mA），辐照前后输出特性重叠。但当输出电流增大超过-10 mA时，辐照后器件的输出高电压开始下降，输出短路电流也有所减小，微分电阻增大。阻抗谱分析还揭示了输出级在10 kHz以上呈现感性行为（电感值约1 μH），且这种感性特性不受TID影响。

3.6. TID effects at system level

从系统设计角度看，阻抗谱分析提供的参数（如电源网络电容、输出级电感）可直接用于电路仿真，以预测芯片级电源行为、噪声滤波和地弹效应。虽然本研究揭示的TID效应在系统层面未构成严重威胁，但它们为理解器件在辐射下的微观行为和在苛刻环境下选用元件提供了宝贵信息。

综上所述，这项研究成功地证明了阻抗谱作为一种高灵敏度、非破坏性的分析工具，在揭示半导体器件电离辐射损伤微观机制方面的巨大潜力。它不仅弥补了传统测试方法的不足，能够检测到电源网络时间常数变化、电荷俘获效应增强、输出驱动能力轻微退化等细微损伤，还为器件建模和抗辐射设计提供了关键的等效电路参数。这项开创性的工作拓宽了辐射效应研究的思路，预示着阻抗谱技术在评估先进电子元器件辐射硬度方面将发挥越来越重要的作用。