1. 背景与起源

在20世纪70年代末到80年代初，桑迪亚国家实验室（位于美国新墨西哥州阿尔伯克基）开始建设大规模设计、制造和测试集成电路的能力（封装由Fairchild和Allied Signal处理）。为什么国家实验室需要这种能力？为了提供商业上不可获得的组件。在这种情况下，桑迪亚的目标是制造用于武器和太空任务的辐射加固器件——最严酷的环境，可靠性至关重要。桑迪亚于1978年启动晶圆厂，采用2英寸晶圆和10微米工艺，比“最先进”技术落后几代。到1982年，升级为4英寸晶圆系统，特征尺寸小至2微米。桑迪亚使用这一设计节点制造了伽利略号太空探测器（用于木星任务）所需的所有集成电路，包括来自RCA的1802处理器。桑迪亚接收了该处理器及其支持芯片的逻辑图，并以辐射加固工艺重新制造。需要多少集成电路？探测器本身、备份、测试芯片等超过50,000个。桑迪亚还为武器系统生产各种集成电路，不是坦克、飞机或舰船，而是需要能承受强辐射的集成电路的武器，通常是核弹头、再入飞行器、洲际弹道导弹等。桑迪亚为它们制造芯片，并维护“战争储备”替换集成电路库存以备不时之需。

2. SA3000的设计与制造

1982年，桑迪亚开始将Intel 8085处理器转换为CMOS辐射加固版本，即桑迪亚SA3000。将HMOS Intel 8085转换为辐射加固CMOS工艺需要一些努力。原始8085约有6500个晶体管，转换为CMOS后成为18000个晶体管的器件。其中一个较棘手的转换是指令解码器（一个大型PLA），在NMOS中容易实现，在CMOS中则不那么容易。SA3000采用4英寸晶圆和3微米工艺制造。桑迪亚SA3000 – Lot G晶圆18 – 制造于1984年。芯片尺寸为228-239密耳，工作电压为4.5-11V，同时保持5V兼容性以便测试。更高的电压为辐射效应提供了更多“余量”，因为辐射暴露往往会降低最大器件速度。桑迪亚还为SA3000制造了一套支持芯片：SA3001（Intel 8155）、SA3002（Intel 8355）、SA3026（Intel 8212）以及其他所需芯片。

3. 辐射加固技术

辐射加固设计既是一门艺术也是一门科学，为确保可靠工作投入了大量设计工作。芯片采用n-on-n+外延衬底以提供闩锁控制，晶体管周围使用广泛的保护环，并采用硬化氧化物（主要是控制生产温度的过程）。尽可能频繁地连接电源到衬底以及地到保护环和p阱，以进一步帮助闩锁控制。这给桑迪亚带来了什么？一个8085处理器，能够承受1×10^6 rad的辐射，性能仅下降25%，以及3×10^6 rad，性能下降40%。设计目标是1×10^5 rad，因此他们大大超过了目标。任何超过1000 rad的辐射通常对人类是致命的。

4. 应用与历史

SA3000曾被（并且仍然被）用于W88 475千吨核弹头，该弹头用于潜射Trident II导弹。它运行负责高度和引信计算的主计算机/编程器。SA3000还被Ball Aerospace用于深空星跟踪器设计，并于1990年用于组合释放与辐射效应卫星（CRRES），以研究高辐射对电子设备的影响。CRRES上的电子设备工作正常，但电池仅一年后就失效，导致任务提前失败。大约在1984-1985年，政府决定引入承包商来运营晶圆厂，这令桑迪亚管理层非常恼火，并损害了效率。承包商是Allied Signal，当时没有运营晶圆厂的经验，这大大减缓了生产一段时间。

5. 商业化与后续

SA3000（及其支持芯片）于1990年由Harris商业化，型号为HS1-80C85RH和HS9-80C85RH。它们与SA3000类似，采用相同工艺制造，但规格仅支持5V工作电压（而非10V），最大速度为2MHz（而SA3000可达10MHz）。HS1为太空级，具有更高筛选级别；HS9为军用级，但未筛选至太空使用级别。

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