航天元器件抗輻射能力選擇

2016-11-06 by:CAE仿真在線來源:互聯網

隨著空間技術、航天戰略武器及微電子技術的快速發展,越來越多的電子元器件被航天產品所采用。其中半導體器件(包括:半導體分立器件、集成電路等)大多數是輻射敏感器件,輻射環境對這些器件的性能會產生不同程度的影響,甚至使其失效。針對各種輻射效應,在器件的材料、電路設計、結構設計、工藝制造及封裝等各個環節采取加固措施,使其具有一定的抗輻射性能。選擇抗輻射加固的器件應用在空間輻射環境中,將能提高航天器的可靠性和使用壽命;應用在戰略武器中,將能提高其效能和突防能力。空間輻射環境對電子器件主要產生電離輻射總劑量(TID)效應和單粒子效應(SEE);核輻射環境尤其是核爆炸環境,主要產生瞬時電離輻射總劑量效應、中子輻射效應和電磁脈沖損傷效應。不同的輻射環境對電子器件的影響各不相同,不同類型的電子器件在同一輻射環境中也會有不同的反應。

空間輻射環境主要來自宇宙射線、太陽耀斑輻射及環繞地球的內外范·艾倫輻射帶等。雖然輻射劑量率很低,不同軌道的劑量率范圍一般在0.0001~0.01rad(Si)/s之間,但由于它是一個累積效應,當劑量率累計到一定值時,將導致電子器件的性能發生變化,嚴重時將導致器件完全失效,使電子設備不能正常工作。目前運行的衛星在其有效壽命里,內部將會受到的總劑量為102~104Gy(Si)的輻射。單粒子效應(SEE)是空間電子系統必須面對和需要解決的另一個空間輻射問題。自1975年發現單個高能粒子能引起CMOS器件發生鎖定(SEL)以來,不斷發現由單粒子引起的器件失效情況,包括功率MOS器件發生燒毀(SEB)、單粒子柵穿(SEGR)、單粒子翻轉(SEU)等現象。隨著器件集成度的提高,以及工作電壓的降低,器件對單粒子效應的敏感度也大幅度提高,成為影響航天器在軌運行的重要因素。核輻射環境主要由α、β、中子、γ射線及核電磁脈沖組成。高空核爆炸產生的瞬時輻射環境的時間很短(一般為10~15s)。瞬態劑量率輻射效應、中子輻射位移損傷效應以及瞬態輻射的次級效應,對于戰略武器和航天器的電子系統,都是必須重視的瞬時損傷因素。因此運行在輻射環境的航天型號在選擇電子器件時,必須根據器件承受的輻射環境,選擇具有足夠抗輻射能力的器件,并留有一定的余量,以保證所選器件在輻射環境中穩定可靠地運行。

航天型號在軌運行時間一般可分為長期、中期、短期三類,一般情況下要求器件具有抗總劑量輻射的能力如表所示。但空間輻射環境在不同的年份、不同地區有很大的差別。因此選擇器件的抗總劑量輻射的固有能力與實際承受的輻射總劑量應有一定的裕度,兩者之比成為輻射設計裕度(RDM),RDM在2至11之間,根據具體的航天型號總體要求(風險、成本、進度、難度等)而定。

在軌運行時間	要求器件抗總劑量能力
長期(多于5年)	大于100Krad(Si)
中期(3至5年)	10至100Krad(Si)
短期(少于3年)	小于10Krad(Si)

按上表選擇長期運行抗總劑量輻射的半導體器件,其抗輻射總劑量的能力應大于100krad(Si),當RDM取2時,則應選RHA為F等級的器件。當所選器件無RHA要求時,應進行輻射總劑量評估試驗(RET)以摸清器件的抗總劑量輻射的能力。當選擇不到抗總劑量輻射能力的器件時,可參照資料的要求,對器件進行屏蔽,以保證其在電離總劑量輻射環境中穩定可靠地工作。

器件抗單粒子翻轉(SEU)的能力以現行能量傳遞(LET)表示,當器件發生單粒子翻轉時的最小LET成為現行能量傳遞閥值LETTh(及SEU敏感度),LET及LETTh的量綱均為MEV·cm2/Mg。器件SEU的敏感度主要取決于器件敏感單元的集合尺寸、版圖結構和工藝,因此對器件SEU敏感度的評估可以利用已有的同一版圖結構和同一工藝器件的試驗數據或分析結果。

對于單粒子引起的翻轉,敏感度由低到高的順序可以排列為:CMOS/SOI,CMOS/SOS,體硅COMS,NMOS,I2L,TTL。為避免單粒子引起的鎖定,推薦使用CMOS/SOI,CMOS/SOS或外延COMS工藝器件,CMOS/SOI,CMOS/SOS工藝器件不存在鎖定問題,外延CMOS器件單粒子鎖定的閥值一般較高,但在具體應用時,應對其鎖定閥值進行評估。器件的單粒子敏感度與器件的使用條件有關,一把情況下,電源電壓、溫度和累積劑量的升高會影響器件的單粒子敏感度,在系統設計時應予以考慮。適當增加屏蔽層厚度可對空間低能粒子起到一定的屏蔽作用,但對高能重離子和高能質子的屏蔽效果不明顯。

附件:輻射加固保證(RHA)等級