COTS器件的空間輻射效應范文

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《電子元件與材料雜志》2015年第十一期

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，越來越多的電子元器件被用于航天器的組成部分。空間環(huán)境主要包括真空、中性、等離子體、輻射、微流星體和軌道碎片等環(huán)境。而這些空間環(huán)境能夠引起航天器電子器件的損傷和故障，尤其輻射環(huán)境會帶來嚴重的輻射效應。因此，本文主要對空間輻射環(huán)境進行分析，提高對航天器cots（Commercial-off-the-shelf，商用現(xiàn)成品或技術）器件的空間環(huán)境適應性的重視，減少航天器在軌運行時由輻射環(huán)境引起的故障。

1COTS器件的應用背景

按照電子器件質量的國際分類方法可分為：宇航級、883B級、軍級、工業(yè)級、商業(yè)級，而COTS器件一般是指大部分采用塑料封裝的工業(yè)級或商業(yè)級的電子器件。在空間領域多使用宇航級電子器件，但是由于其生產(chǎn)周期長、批量小、價格昂貴，使高性能的COTS器件受到航天領域的廣泛關注。國外早在20世紀70年代就對COTS器件的應用展開了研究，對于微處理器、電源等器件進行抗輻照評估，并采取相應的加固措施。2013年ECSS還了《商用器件EEE元器件空間產(chǎn)品保證》標準，保證用于空間項目的EEE元器件能夠符合任務要求。而國內對于COTS器件的研究還處于初級階段，得到的器件抗輻照資料比較落后，嚴重影響了我國對于COTS器件的選型和使用，大部分關鍵器件還是依賴國外進口，提高了航天任務的成本。因此，在航天領域中，對COTS器件抗輻照性能進行評估，根據(jù)評估結果，使用高性能的COTS器件，減少對國外進口的依賴，縮短研制周期都具有十分重要的意義。

2空間輻射環(huán)境對COTS器件的效應分析

2.1空間輻射環(huán)境的來源空間輻射環(huán)境的來源主要有地球輻射帶、銀河宇宙線、太陽質子事件等。

2.1.1地球輻射帶(VAB)地球輻射帶(VAB)又稱范艾倫輻射帶，是包圍著地球的環(huán)狀高能粒子輻射帶，輻射粒子主要有電子和質子。如圖1所示，地球輻射帶包括內外兩層，內輻射帶離地面比較近，外輻射帶離地面比較遠。地球輻射帶在地球磁層的一定磁緯度地區(qū)的上方，內外輻射帶的主要成分、高度、磁緯度范圍區(qū)別，如表1所示。地球輻射帶內的帶電粒子受到太陽風、宇宙線和高層大氣相互作用而形成高能粒子，并在地球磁層的作用下不斷輻射出電磁波，是電離輻射的主要來源之一。

2.1.2銀河宇宙線（GCR）銀河宇宙線(GCR)是來自銀河系的能量超過1010eV的高能粒子流。銀河宇宙線幾乎包含了元素周期表中所有的元素，主要成分為質子、氦和重粒子。銀河宇宙線的強度一般每5年和11年左右受太陽活動的影響。在活動高年，太陽風和行星際磁場都最強，銀河宇宙線的輻射通量被極大地削弱，它的強度也就最低[1]。在活動低年，銀河宇宙線的強度最高。在能量較低時，銀河宇宙線具有較高的各向異性。除此之外，宇宙銀河線還會和大氣成分相互作用，產(chǎn)生次級宇宙線。

2.1.3太陽質子事件（SPE）除了太陽系外的銀河宇宙線，太陽耀斑大爆發(fā)還會產(chǎn)生太陽宇宙射線[2]，產(chǎn)生大量高能粒子，又稱為太陽質子事件（SPE）。太陽宇宙線主要成分為質子，還有α粒子和氦離子等。在太陽耀斑大爆發(fā)后的1h內到達地球，且質子逐漸形成最大通量，質子強度可瞬間超過銀河宇宙線正常值的3~4個數(shù)量級。這種高能質子到達地球會對飛船任務或衛(wèi)星設備等造成很嚴重的輻射損傷。

2.2空間輻射環(huán)境給COTS器件帶來的主要效應由以上分析可以得出，很多空間輻射環(huán)境因素都會對在軌航天器電子器件產(chǎn)生輻射損傷，其中主要的空間輻射效應包括電離總劑量效應（TID）、單粒子效應（SEE）、位移損傷效應（DD）、充放電效應和低劑量率敏感性增強效應（ELDRS）等。

2.2.1總劑量效應(TID)總劑量效應屬于累積效應。半導體器件在空間輻照環(huán)境中，內部漏電流增加，運算放大器輸入失調變大，導致材料內部損傷。如果半導體器件長時間處于空間輻射環(huán)境下，它的電流、電壓門限值、轉換時間等特性受到的輻照效應就會逐漸積累下來，導致性能漂移或者功能衰退，嚴重時可導致器件完全失效[5]。

2.2.2單粒子效應單粒子效應屬于瞬態(tài)效應，它是指空間輻射環(huán)境下的單個高能粒子入射到半導體器件時產(chǎn)生高密度的電子空穴對，并被器件的反偏PN結所吸收，導致半導體器件的電路邏輯狀態(tài)發(fā)射瞬態(tài)的擾動甚至永久性的損傷。最常見的單粒子效應有單粒子翻轉（SEU）、單粒子鎖定(SEL)等[3]。表3是不同單粒子效應的類型和定義描述。在表3中，單粒子翻轉和單粒子瞬態(tài)脈沖屬于軟錯誤，可通過重新寫入程序或斷開電源恢復到原始狀態(tài)。而單粒子位移損傷、單個位硬錯誤、單粒子燒毀、單粒子門斷裂等屬于硬錯誤，永久性效應[4]。

2.2.3位移損傷效應位移損傷效應是指高能粒子導致半導體器件內部的原子離開了原始晶格位置，使原始晶格位置成為空位，形成弗倫克爾缺陷（Frenkeldefect），從而改變了原有的電學結構和性能。位移損傷主要對光電器件和少子器件影響較大，而對于MOS器件的影響較小。位移損傷效應的程度與輻射的強度、時間譜和能量譜的分布有關。

2.2.4表面充放電和內部充放電（ESD）當衛(wèi)星浸入等離子體中時，大量的高速運動的電子和少量低速離子沉積在衛(wèi)星表面，會形成輻射離子電流，同時在光照區(qū)中形成光電子電流，對器件材料的表面總電流產(chǎn)生影響。

3COTS器件抗輻射防護和加固措施

自1957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功后，航天事業(yè)迅猛發(fā)展，至今已有通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星、天文衛(wèi)星等不同種類的衛(wèi)星發(fā)射成功[6]。空間輻射環(huán)境是誘發(fā)航天器系統(tǒng)出現(xiàn)故障的主要因素之一，且居各故障因素之首。輻射環(huán)境中的單粒子效應、總劑量效應、位移損傷效應都會對COTS器件產(chǎn)生不同程度的損傷，導致航天器在軌運行出現(xiàn)故障。

3.1空間輻射環(huán)境的故障案例分析1989年3月份太陽耀斑爆發(fā)導致很多衛(wèi)星出現(xiàn)異常和故障。如歐空局地球同步軌道衛(wèi)星（MARECS_1）在太陽大耀斑的影響下出現(xiàn)多次“開關事件”，日本地球同步軌道氣象衛(wèi)星(CMS-3B)的遙測信號發(fā)生強烈擾動，導致衛(wèi)星丟失部分數(shù)據(jù)。1989年8~10月份的特大太陽耀斑事件對GOES-5、GOES-6、GOES-7的太陽能電池造成損傷，輸出參數(shù)發(fā)生錯誤。同時在此期間發(fā)生的兩次太陽質子事件對GOES-7的太陽能電池也造成了嚴重性能損傷，大大降低了電池壽命[7]。1991年7月17日，歐洲ESA遙感衛(wèi)星（ERS-1）在瞬態(tài)電流的影響下，在SAA附近高能質子引發(fā)衛(wèi)星PRARE儀器的單粒子鎖定效應，導致儀器發(fā)生故障。1993年11月，美國極紫外探測衛(wèi)星（EUVE）由于單粒子翻轉效應，導致探測器窗口發(fā)生緊急關閉故障。自1984年以來，美國多個跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）由于衛(wèi)星指令處理器電子設備出現(xiàn)單粒子翻轉效應，導致衛(wèi)星產(chǎn)生不同程度的故障。通過對表4~5的國內外近年來多顆衛(wèi)星發(fā)生的故障分析后發(fā)現(xiàn)，在空間環(huán)境中，單粒子效應是誘發(fā)衛(wèi)星故障的主要因素。各種空間環(huán)境效應之間還會產(chǎn)生耦合放大作用，如溫度和真空效應會放大機械效應，機械效應會導致電效應、熱效應、化學效應、表面充放電效應等。輻照效應會增加電效應、熱效應、化學效應、表面充放電效應等。因此，為了確保航天器的安全運行，需要對航天器的電子器件進行空間環(huán)境適應性分析，并進行抗輻射加固。

3.2COTS抗輻射防護總體思路首先，應先對任務、產(chǎn)品進行空間輻射危害評估，主要包括任務總體的空間輻射及效應的分析和評估、分系統(tǒng)/單機的空間輻射危害分析評估、元器件的空間輻射危害評估和試驗、單機（組件）的空間輻射危害試驗。其次，對產(chǎn)品進行空間輻射防護設計，規(guī)定任務總體的空間輻射防護設計指標、要求、規(guī)范，以及元器件的選用，還有產(chǎn)品的硬件軟件的防護設計等。在產(chǎn)品空間輻射防護設計后，還應對產(chǎn)品的空間輻射防護進行檢驗，包括空間輻射防護分析、模擬、試驗，并對空間輻射防護進行評估和審查。

3.3COTS器件抗輻照測試試驗

3.3.1元器件選型在選擇元器件時首先應注意選擇有質量體系保證的廠商生產(chǎn)的器件，盡量選擇通用的產(chǎn)品型號并且盡量從商用或工業(yè)級、軍品器件中選擇，壓縮器件種類，降低篩選的成本。其次，在器件選型時還可參考元器件的抗輻照TID等級，TID等級越高，工藝越細致，抗輻照性能越好。在COTS器件的不斷小型化、高性能的同時，封裝技術也會對抗輻射性能產(chǎn)生影響[8]。在綜合考慮加工工藝、封裝水平、抗輻照TID指標后進行元器件選型。但是大部分元器件沒有TID指標，只能依靠抗輻照試驗來增強在元器件選型時的可靠性依據(jù)。對已有的NASA、ESA的COTS器件試驗數(shù)據(jù)進行分析，優(yōu)選出已有數(shù)據(jù)的COTS器件，對存在風險的COTS器件進行高性能COTS器件的替換。本文主要對三個方面的COTS器件進行可用性評估（包括計算機最小系統(tǒng)、電源、部分射頻器件等），如表6所示。

3.3.2COTS器件抗輻照試驗在經(jīng)過元器件選型后，元器件使用前應對其進行抗輻照試驗。主要有單粒子和總劑量兩個試驗。測試系統(tǒng)主要結構包括上位機、控制電路以及兩塊輻照板。測試試驗主要通過搭建抗輻照試驗平臺，使用主控計算機來控制抗輻照測試板，完成主要器件的功能測試、電流監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸和處理測試等任務。抗輻照測試試驗需模擬空間環(huán)境，選用重離子源或者回旋加速器作為單粒子輻射源，重離子（如Co-g射線）作為總劑量輻射源[9]。使用對照試驗的方法，將待測器件開帽處理，暴露在輻射環(huán)境下；而對照組采用鉛磚屏蔽處理，其他試驗條件保持一致，同時改變輻射條件，記錄并分析試驗結果的變化。

3.4抗輻照加固抗輻射加固可以在器件選型、原理設計、PCB布局與設計、接口濾波和保護、部件和單機的冗余容錯設計、FPGA和CPU的軟件設計等環(huán)節(jié)中進行，主要有工藝和設計兩方面的加固技術，而工藝加固主要是制造廠商在元器件生產(chǎn)的過程中使用特殊工藝（如SOI）進行流片處理，加到元器件的制造中達到抗輻射加固的設計目的[10]。因此，對于工藝加固來講，只能在元器件選型時注意元器件抗輻照等級來提高抗輻射性能。單粒子效應抗輻射加固設計主要采用看門狗、冗余設計以及對數(shù)字通信接口進行EDAC(ECC）糾錯校驗等措施實現(xiàn)抗輻照加固；對器件進行限流設計，防止長時間過流導致單粒子燒毀效應（SEB）[11]。對航天器電子設備電路進行實時電流監(jiān)視。當電流過大時及時斷電防止單粒子閉鎖效應（SEL），實現(xiàn)SEL加固。總劑量效應抗輻射加固設計主要考慮器件布局、局部器件加強屏蔽防護設計等。

4結束語

主要分析了空間輻射環(huán)境下主要輻射效應的來源、原因以及現(xiàn)象。并結合實際的航天器故障案例分析，結合了具體的關鍵COTS器件，找出抗輻射防護和加固措施。單粒子效應和總劑量效應是空間輻射環(huán)境中影響航天器電子器件的主要因素。隨著不斷提高航天器部件的可靠性設計，并進行抗輻照加固等措施，可以有效降低單粒子和總劑量效應帶來的危害。

作者：賈文遠 安軍社 單位：中國科學院大學 中國科學院國家空間科學中心