衛(wèi)星元器件抗輻射指標優(yōu)化分析

王義元，韓冬梅，趙志明，柳征勇

衛(wèi)星元器件抗輻射指標優(yōu)化分析

王義元，韓冬梅，趙志明，柳征勇

（上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

在航天器設(shè)計中對選用的電子元器件提出了抗輻射指標要求。隨著航天器設(shè)計壽命增加，對元器件提出的抗輻射指標越來越高，因此需要優(yōu)化對元器件的抗輻射指標要求，以降低因輻射指標不滿足而限制元器件的選擇范圍。通過對國內(nèi)外抗輻射指標體系的對比分析和典型軌道、典型器件的數(shù)據(jù)分析，探討總劑量指標的優(yōu)化方法。對在軌翻轉(zhuǎn)概率的影響因素進行分析，并采用典型數(shù)據(jù)的單粒子翻轉(zhuǎn)概率評估，明確采用單一LET閾值指標的局限?？倓┝啃?yīng)和單粒子效應(yīng)指標均有優(yōu)化的方法和空間。通過對輻射環(huán)境的細化分析，降低輻射設(shè)計裕度，可降低總劑量的輻射指標要求。結(jié)合單粒子效應(yīng)的應(yīng)用需求以及防護設(shè)計，降低對器件LET閾值要求。

抗輻射元器件；總劑量效應(yīng)；單粒子效應(yīng)

空間多種帶電粒子與航天器上的電子元器件相互作用，形成電離總劑量效應(yīng)、位移效應(yīng)和單粒子效應(yīng)，引起電子器件參數(shù)退化、功能異常等，從而影響航天器在軌正常工作，甚至威脅其在軌安全[1-3]。因此，在航天器設(shè)計中對選用的電子元器件提出了抗輻射設(shè)計要求。隨著長壽命航天器設(shè)計需求以及由于空間輻射導(dǎo)致的在軌故障的案例增加，型號中對元器件提出的抗輻射指標也越來越高，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計中元器件的選擇范圍受限，且元器件的費用較高。文中通過典型軌道的環(huán)境數(shù)據(jù)分析，結(jié)合無加固指標器件的抗總劑量能力調(diào)研和單粒子翻轉(zhuǎn)率的評估結(jié)果，分析不同指標要求下器件選用的靈活性，提出了優(yōu)化元器件抗輻射指標的建議。

1 元器件空間輻射效應(yīng)及其防護措施

由于空間輻射環(huán)境中帶電粒子成分、能量和通量多樣性，且航天型號所用電子元器件種類繁多，因此空間輻射粒子與宇航用元器件相互作用，形成各種空間輻射效應(yīng)。在航天器的設(shè)計過程中，形成了多種的防護方案或措施。

1.1 元器件空間輻射效應(yīng)

1.1.1 總劑量效應(yīng)

電離總劑量效應(yīng)是帶電粒子在半導(dǎo)體器件內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，形成氧化物陷阱電荷和界面陷阱電荷，從而導(dǎo)致電參數(shù)發(fā)生漂移，引起器件功能失效。一般半導(dǎo)體器件均受電離總劑量的輻射影響。入射粒子與半導(dǎo)體中周期性晶格原子發(fā)生碰撞，形成空位-間隙對缺陷，造成位移損傷，會導(dǎo)致半導(dǎo)體的器件參數(shù)退化或永久性失效。敏感元器件主要有雙極晶體管和太陽能電池、CCD、CMOS圖像傳感器、光耦、LED等光電器件。

電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)統(tǒng)稱為累積劑量效應(yīng)，即輻射劑量對電子元器件和材料的損傷并非是瞬時產(chǎn)生的，而是經(jīng)過長時間的積累而逐漸加重。其指標要求和防護方法很多是相通的，文中主要討論電離總劑量效應(yīng)。

1.1.2 單粒子效應(yīng)

單粒子效應(yīng)是空間單個高能質(zhì)子和重離子穿越單元電路敏感區(qū)時，產(chǎn)生的電子-空穴對被器件內(nèi)部的電場收集，引起器件存儲、輸出的變化。根據(jù)電子器件類型以及高能粒子與器件相互作用機理的差異，單粒子效應(yīng)可分為單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)、單粒子鎖定(SEL)、單粒子燒毀(SEB)、單粒子?xùn)艙舸?SEGR)、單粒子瞬態(tài)效應(yīng)（SET）等多種類型。主要影響SRAM、PROM、EEPROM、Flash、DSP、FPGA、數(shù)據(jù)總線等大規(guī)模集成單路以及A/D、D/A、DC/DC、功率MOS管、運放等模擬或數(shù)?；旌想娐?。

1.2 電子系統(tǒng)輻射效應(yīng)防護措施

電子系統(tǒng)抗輻射加固歸納起來有兩種途徑，一是通過元器件的設(shè)計、工藝、材料等進行器件抗輻射加固，生產(chǎn)出具有較高抗輻射能力的器件。由于其設(shè)計結(jié)構(gòu)、工藝條件可能均與未加固器件不同，導(dǎo)致加固器件性能、價格與未加固器件有一定差異。二是在器件使用過程中，采取抗輻射加固措施，使各種輻射效應(yīng)及其影響減至最小，即應(yīng)用抗輻射加固。

1）總劑量效應(yīng)系統(tǒng)防護?？倓┝枯椛浞雷o主要依據(jù)隨著屏蔽質(zhì)量面密度的增加，輻射總劑量呈下降趨勢的原理，在局部范圍內(nèi)附加一層屏蔽材料（如鉭等），或通過設(shè)備內(nèi)部布局優(yōu)化調(diào)整等方法，使該敏感區(qū)域的空間輻射屏蔽得到局部增強，以降低敏感區(qū)域內(nèi)電子器件的輻射總劑量水平。同時，采用容差設(shè)計也可適當提高整個電子系統(tǒng)在電離輻射環(huán)境下的適應(yīng)性[1]。

2）單粒子效應(yīng)系統(tǒng)防護。航天電子系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)防護設(shè)計目標：保證系統(tǒng)不因單粒子效應(yīng)導(dǎo)致任務(wù)失?。聪到y(tǒng)的可用性）；在單粒子效應(yīng)影響下滿足航天器對工程或有效載荷數(shù)據(jù)完整性的要求?？蓮钠骷x用、電路設(shè)計、整機設(shè)計三個層面上進行防護設(shè)計，通常采用硬件、軟件、容錯技術(shù)等多種方式來進行防護設(shè)計。

選用具有抗單粒子效應(yīng)加固能力的器件，可以從根本上大幅度提高航天電子系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)防護能力，如SOI或SOS工藝器件不存在單粒子閂鎖效應(yīng)。雖然采用單粒子效應(yīng)加固器件進行單粒子效應(yīng)防護，可以取得良好的防護效果，但抗單粒子效應(yīng)加固器件的價格非常昂貴，而且器件類型有限。因此，只采用抗單粒子效應(yīng)加固器件不能滿足型號工程的需求。目前已發(fā)展了多種單粒子效應(yīng)防護措施，如硬件設(shè)置檢錯糾錯功能塊、設(shè)置硬件計數(shù)器、軟件的指令重啟、三取二表決等多種方法[1]。

2 元器件抗輻射指標要求

為滿足電子元器件在空間應(yīng)用的需求，目前型號中提出了元器件抗輻射的指標要求，主要是電離總劑量和單粒子效應(yīng)的指標要求。

2.1 輻射設(shè)計裕度

由于輻射環(huán)境分析的不確定性和元器件輻射敏感度的離散性，因此在航天器研制過程中，對電子元器件進行防護設(shè)計中提出了最小輻射設(shè)計裕度(RDM)的要求。美國和歐洲的標準對最小輻射設(shè)計裕度有明確要求。

美國標準規(guī)定：當RDM<2時，是不可接受的；210時，可以使用。歐洲標準中規(guī)定，基于AE-8模型計算出的GEO軌道環(huán)境，可采用1.2的輻射設(shè)計裕度，其他軌道建議采用1.2~2。國內(nèi)暫無具體的標準或規(guī)范，工程中一般采用2~3。

2.2 電離總劑量效應(yīng)的指標

電離總劑量效應(yīng)指標一般是指元器件敏感區(qū)域的吸收劑量。分析中一般將航天器簡化為一個具有一定半徑的實心球，根據(jù)飛行器軌道參數(shù)，對球心處的輻射劑量與球的半徑（屏蔽厚度）之間的關(guān)系進行計算，提供航天器在軌壽命期間的輻射劑量隨屏蔽厚度（一般采用等效鋁厚度）的變化曲線。型號中一般選取典型屏蔽厚度后（一般2~3 mm Al）的劑量，乘以輻射設(shè)計裕度得到航天器的抗總劑量指標要求[1,3]。

由于輻射劑量一維分析不能體現(xiàn)飛行器實際復(fù)雜結(jié)構(gòu)，未反映設(shè)備間的屏蔽作用，因此可結(jié)合飛行器總體布局，建立用于輻射劑量分析的三維模型。由于其充分考慮了飛行器自身的屏蔽效果，可以有效降低對飛行器內(nèi)部元器件的抗輻射指標的要求。通過三維分析與一維分析的對比可以發(fā)現(xiàn)，對元器件的指標可以降低2~25倍[3]。

2.3 單粒子效應(yīng)指標

單粒子效應(yīng)的描述通常采用LET值（線性能量傳輸）和單粒子效應(yīng)截面（如翻轉(zhuǎn)截面、鎖定截面、燒毀截面等)兩個參數(shù)。因空間輻射環(huán)境中帶電粒子的LET值對單粒子效應(yīng)具有較大的影響，型號總體為便于對器件選用控制，一般通過分析空間粒子的類型及其LET值的變化，提出器件抗單粒子效應(yīng)LET閾值要求。

對于采用了單粒子防護措施的空間電子設(shè)備，則通常關(guān)心導(dǎo)致需要地面干預(yù)、數(shù)據(jù)丟失的單粒子效應(yīng)發(fā)生的次數(shù)或概率。因此單粒子效應(yīng)有時還會提出單粒子效應(yīng)周期或概率的要求。

對于器件的單粒子指標，國外NASA和ESA均給出了相關(guān)給定，見表1、表2。國內(nèi)暫無相關(guān)標準對單粒子效應(yīng)提出明確要求，通常采用的有15，37，75 MeV·cm2/mg[1,3]?？臻g輻射環(huán)境中高能質(zhì)子是引起單粒子效應(yīng)的主要環(huán)境因素，而空間高能質(zhì)子與元器件材料的核反應(yīng)產(chǎn)物的LET值一般小于15 MeV·cm2/mg。因此當器件單粒子效應(yīng)閾值大于15 MeV·cm2/mg時，可不考慮空間質(zhì)子的單粒子效應(yīng)。對空間高能粒子LET譜進行分析，其在37 MeV·cm2/mg處粒子通量急劇下降，因而產(chǎn)生單利子效應(yīng)的概率急劇減少。若保留一定的余量，采用2倍裕度，提出75 MeV·cm2/mg的要求[3]。

表1 NASA對器件單粒子效應(yīng)指標的規(guī)定

表2 ESA對器件單粒子效應(yīng)指標的規(guī)定

3 輻射指標的應(yīng)用分析

3.1 電離總劑量指標對器件選擇的約束

采用Space radiation 6.0對450 km圓軌道的15年的電離總劑量進行一維分析。3 mm等效鋁厚度的劑量只有2.1 krad(Si)，采用2倍的輻射設(shè)計裕度，則提出的總劑量指標為5 rad(Si)?？紤]在軌時間較長，空間環(huán)境變化因素較多，采用4~10的輻射設(shè)計裕度時，則對元器件的總劑量指標則提高到10~20 krad(Si)。

元器件的抗輻射性能有別于常規(guī)可靠性的要求，屬于航天產(chǎn)品的特殊要求。因此元器件的質(zhì)量等級中不含抗輻射性能指標，即使是特軍級、宇航級或883級的產(chǎn)品對抗輻射指標也不做強制要求[4-6]。未加固、無抗輻射指標的器件一般也具有一定的抗輻射能力，可以通過試驗或歷史數(shù)據(jù)分析器件的抗輻射能力。從國外的數(shù)據(jù)庫中隨機找FPGA、ADC、DAC、運放、DC/DC、存儲器等20個未加固器件的試驗數(shù)據(jù)，抗輻射能力統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 無抗輻射指標器件的抗輻射能力分布

由此，對航天器制定不同的電離總劑量指標要求，對未加固無加固指標器件的選擇制約也就越大。當要求為10 krad(Si)，90%的未加固器件均可滿足要求；當要求為20 krad(Si)時，只有50%的未加固器件可滿足要求。如果采用2倍的輻射設(shè)計裕度，并結(jié)合器件所處位置的具體分析，抗輻射能力只有5 krad(Si)的器件也滿足低軌的實際應(yīng)用需求，元器件的選擇范圍更大。因此，應(yīng)該重視型號對電離總劑量效應(yīng)指標要求。

3.2 單粒子效應(yīng)指標優(yōu)化需求

單粒子效應(yīng)屬于瞬時、概率性事件，抗輻射能力不同的器件，其在軌發(fā)生單粒子效應(yīng)的幾率有較大差異[3,7-8]。為直觀顯示器件LET閾值與單粒子效應(yīng)的關(guān)系，采用space radiation軟件，通過改變器件的LET閾值，獲得在軌重離子單粒子翻轉(zhuǎn)率隨LET閾值的變化關(guān)系，如圖2a所示?？梢钥闯?，器件翻轉(zhuǎn)率隨LET閾值的增加而顯著減小，即使器件的LET閾值達到100 MeV·cm2/mg時，仍存在發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的可能。

由于空間高能粒子能量很高，形成的單粒子效應(yīng)影響一般很難通過提高器件LET閾值而徹底消除，因此在選擇具有抗輻射指標的器件后，一般也應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施。即在電路、整機設(shè)計中采取系統(tǒng)的防護措施，降低單粒子效應(yīng)影響。

圖2 器件單粒子翻轉(zhuǎn)率隨器件的LET閾值、翻轉(zhuǎn)截面的變化

對于特定軌道，影響器件單粒子效應(yīng)的還有器件的單粒子效應(yīng)截面、器件厚度等參數(shù)。圖2b是對器件單粒子翻轉(zhuǎn)率隨器件的翻轉(zhuǎn)截面變化的規(guī)律。在其他條件保持不變時，單粒子翻轉(zhuǎn)率隨翻轉(zhuǎn)截面線性增加。從器件單粒子翻轉(zhuǎn)率對比發(fā)現(xiàn)，LET閾值為10 MeV·cm2/mg、翻轉(zhuǎn)截面為10－6cm2/bit的器件的翻轉(zhuǎn)率與LET閾值為100 MeV·cm2/mg、翻轉(zhuǎn)截面為10－4cm2/bit的器件相當。單獨提高器件的LET閾值不能完全反映器件抗單粒子能力，反而減少了器件選擇范圍，增加了器件獲得的難度。

器件單粒子效應(yīng)的LET閾值是通過實驗獲得，且在試驗中可以同時獲得器件的LET閾值和單粒子效應(yīng)截面。因此，對器件提單粒子效應(yīng)時，可參考器件的單粒子效應(yīng)發(fā)生概率指標。考慮到單粒子效應(yīng)發(fā)生概率的計算評估方法以及環(huán)境參數(shù)選取的差異，總體可以采用設(shè)定的翻轉(zhuǎn)概率需求，通過統(tǒng)一的模型，分析計算不同LET閾值與翻轉(zhuǎn)截面的關(guān)系，從而明確器件LET閾值和單粒子效應(yīng)截面兩個參數(shù)的要求。如圖3所示，設(shè)定器件的單粒子翻轉(zhuǎn)概率要求，采用通用的器件厚度、漏斗區(qū)長度等參數(shù)，通過設(shè)定不同的LET閾值，分析所允許的最大翻轉(zhuǎn)截面，形成LET閾值與翻轉(zhuǎn)截面的曲線。則器件的LET閾值和翻轉(zhuǎn)截面處于圖3中陰影區(qū)時，均可滿足在軌翻轉(zhuǎn)概率的要求。在軌應(yīng)用時LET閾值較高的B區(qū)器件的翻轉(zhuǎn)概率可能會大于LET閾值較小的A區(qū)器件。單獨提出器件單粒子效應(yīng)的LET閾值，不能完全反應(yīng)器件抗單粒子效應(yīng)的能力。

圖3 設(shè)定翻轉(zhuǎn)率下，所需器件LET閾值與翻轉(zhuǎn)截面的關(guān)系

另外，一般有無抗輻射性能指標的器件的價格差異較大。調(diào)研某空間系統(tǒng)中采用的部分元器件的價格，發(fā)現(xiàn)有抗輻射指標的器件價格是無加固指標器件的2~20倍。由于系統(tǒng)中采用的電子元器件種類、數(shù)量較多，則對型號經(jīng)費影響可能很大。因此，在航天型號設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合實際環(huán)境和型號設(shè)計需求，提出具體的抗輻射指標，可在保證在軌應(yīng)用需求的條件下，降低對元器件抗輻射性能的要求，既可以擴大設(shè)計中器件的選擇范圍，還可以降低型號元器件經(jīng)費。

4 結(jié)語

空間輻射環(huán)境在元器件中引起電離總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)以及單粒子效應(yīng)。各類元器件對其輻射損傷敏感性不同。在航天型號設(shè)計中需要根據(jù)不同軌道環(huán)境分析，并結(jié)合航天器結(jié)構(gòu)分析，對元器件提出抗輻射指標要求。隨著在軌長壽命的要求，只采用一維分析方法的總劑量指標要求將限制型號元器件的選擇，制約新技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該結(jié)合航天器的布局開展三維分析，降低總劑量指標的要求。

單粒子效應(yīng)種類較多，不同類型器件對單粒子效應(yīng)的響應(yīng)具有較大差異。目前僅從單粒子效應(yīng)閾值提出較高要求，限制了元器件的選擇，且由于各類軌道閾值無差異，使得不同軌道最后的應(yīng)用效果可能不同。應(yīng)根據(jù)型號任務(wù)的特點，結(jié)合單粒子效應(yīng)的應(yīng)用需求以及防護設(shè)計方法，從多個角度提出單粒子效應(yīng)指標。

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Optimization of Radiation-hardening Device for Spacecraft

WANG Yi-yuan, HAN Dong-mei, ZHAO Zhi-ming, LIU Zheng-yong

(Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201109, China)

Design of spacecraft has requirements on radiation resistance indexes of electronic components. With the increase of spacecraft design life, the components requires higher radiation resistant index, so it is needed to optimize the radiation resistance index for components, in order to reduce the limit of components due to insufficient radiation indicators.Through comparative analysis on domestic and foreign systems of anti radiation indicators and date analysis of typical orbit and typical device, optimization method of total dose indicators were discussed. Factors affecting the rollover probability of orbit were analyzed. Typical data of single particle rollover probability was assessed. The limit of single LET threshold indicators was identified.There were methods and space for optimization of indexes for both total dose effect and single particle effect.Through detailed analysis of the radiation environment and reduction of the radiation design margin, requirements on the total dose radiation index might be reduced. The requirement on LET threshold might be reduced in combination with the application requirement of single particle effect and protection design.

radiation-hardening device; total ionizing dose effect; single event effect

10.7643/ issn.1672-9242.2017.11.018

TJ01

A

1672-9242(2017)11-0089-05

2017-06-14；

2017-06-24

王義元（1982—），男，河南正陽人，博士，高級工程師，主要研究方向為航天器環(huán)境與可靠性。