航天元器件抗輻射能力選擇

2016-11-06 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著空間技術(shù)、航天戰(zhàn)略武器及微電子技術(shù)的快速發(fā)展,越來(lái)越多的電子元器件被航天產(chǎn)品所采用。其中半導(dǎo)體器件(包括:半導(dǎo)體分立器件、集成電路等)大多數(shù)是輻射敏感器件,輻射環(huán)境對(duì)這些器件的性能會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響,甚至使其失效。針對(duì)各種輻射效應(yīng),在器件的材料、電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝制造及封裝等各個(gè)環(huán)節(jié)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(yīng)用在空間輻射環(huán)境中,將能提高航天器的可靠性和使用壽命;應(yīng)用在戰(zhàn)略武器中,將能提高其效能和突防能力。空間輻射環(huán)境對(duì)電子器件主要產(chǎn)生電離輻射總劑量(TID)效應(yīng)和單粒子效應(yīng)(SEE);核輻射環(huán)境尤其是核爆炸環(huán)境,主要產(chǎn)生瞬時(shí)電離輻射總劑量效應(yīng)、中子輻射效應(yīng)和電磁脈沖損傷效應(yīng)。不同的輻射環(huán)境對(duì)電子器件的影響各不相同,不同類(lèi)型的電子器件在同一輻射環(huán)境中也會(huì)有不同的反應(yīng)。

空間輻射環(huán)境主要來(lái)自宇宙射線、太陽(yáng)耀斑輻射及環(huán)繞地球的內(nèi)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(gè)累積效應(yīng),當(dāng)劑量率累計(jì)到一定值時(shí),將導(dǎo)致電子器件的性能發(fā)生變化,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致器件完全失效,使電子設(shè)備不能正常工作。目前運(yùn)行的衛(wèi)星在其有效壽命里,內(nèi)部將會(huì)受到的總劑量為102~104Gy(Si)的輻射。單粒子效應(yīng)(SEE)是空間電子系統(tǒng)必須面對(duì)和需要解決的另一個(gè)空間輻射問(wèn)題。自1975年發(fā)現(xiàn)單個(gè)高能粒子能引起CMOS器件發(fā)生鎖定(SEL)以來(lái),不斷發(fā)現(xiàn)由單粒子引起的器件失效情況,包括功率MOS器件發(fā)生燒毀(SEB)、單粒子?xùn)糯?SEGR)、單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)等現(xiàn)象。隨著器件集成度的提高,以及工作電壓的降低,器件對(duì)單粒子效應(yīng)的敏感度也大幅度提高,成為影響航天器在軌運(yùn)行的重要因素。核輻射環(huán)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(chǎn)生的瞬時(shí)輻射環(huán)境的時(shí)間很短(一般為10~15s)。瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)、中子輻射位移損傷效應(yīng)以及瞬態(tài)輻射的次級(jí)效應(yīng),對(duì)于戰(zhàn)略武器和航天器的電子系統(tǒng),都是必須重視的瞬時(shí)損傷因素。因此運(yùn)行在輻射環(huán)境的航天型號(hào)在選擇電子器件時(shí),必須根據(jù)器件承受的輻射環(huán)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(huán)境中穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

航天型號(hào)在軌運(yùn)行時(shí)間一般可分為長(zhǎng)期、中期、短期三類(lèi),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(huán)境在不同的年份、不同地區(qū)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(shí)際承受的輻射總劑量應(yīng)有一定的裕度,兩者之比成為輻射設(shè)計(jì)裕度(RDM),RDM在2至11之間,根據(jù)具體的航天型號(hào)總體要求(風(fēng)險(xiǎn)、成本、進(jìn)度、難度等)而定。

在軌運(yùn)行時(shí)間	要求器件抗總劑量能力
長(zhǎng)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(zhǎng)期運(yùn)行抗總劑量輻射的半導(dǎo)體器件,其抗輻射總劑量的能力應(yīng)大于100krad(Si),當(dāng)RDM取2時(shí),則應(yīng)選RHA為F等級(jí)的器件。當(dāng)所選器件無(wú)RHA要求時(shí),應(yīng)進(jìn)行輻射總劑量評(píng)估試驗(yàn)(RET)以摸清器件的抗總劑量輻射的能力。當(dāng)選擇不到抗總劑量輻射能力的器件時(shí),可參照資料的要求,對(duì)器件進(jìn)行屏蔽,以保證其在電離總劑量輻射環(huán)境中穩(wěn)定可靠地工作。

器件抗單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)的能力以現(xiàn)行能量傳遞(LET)表示,當(dāng)器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)的最小LET成為現(xiàn)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(jié)構(gòu)和工藝,因此對(duì)器件SEU敏感度的評(píng)估可以利用已有的同一版圖結(jié)構(gòu)和同一工藝器件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或分析結(jié)果。

對(duì)于單粒子引起的翻轉(zhuǎn),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(wèn)題,外延CMOS器件單粒子鎖定的閥值一般較高,但在具體應(yīng)用時(shí),應(yīng)對(duì)其鎖定閥值進(jìn)行評(píng)估。器件的單粒子敏感度與器件的使用條件有關(guān),一把情況下,電源電壓、溫度和累積劑量的升高會(huì)影響器件的單粒子敏感度,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。適當(dāng)增加屏蔽層厚度可對(duì)空間低能粒子起到一定的屏蔽作用,但對(duì)高能重離子和高能質(zhì)子的屏蔽效果不明顯。

附件:輻射加固保證(RHA)等級(jí)