航天電子設(shè)備輻射效應(yīng)的物理基礎(chǔ)

0抗輻射技術(shù)研究輻射是導(dǎo)致振動(dòng)設(shè)備異常或失敗的重要原因。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)航空航天故障的統(tǒng)計(jì)，約40%的故障來(lái)自太空輻射。因此抗輻射技術(shù)是保障航天電子設(shè)備高可靠長(zhǎng)壽命運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù),是航天電子領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)?？馆椛浼夹g(shù)是交叉學(xué)科,涵蓋空間輻射物理學(xué)、微電子學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、電路分析設(shè)計(jì)、輻射試驗(yàn)等多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域。沿著輻射損傷的因果鏈條,本文綜述了空間輻射環(huán)境的組成,總劑量、單粒子、位移損傷和帶電等輻射損傷的內(nèi)在物理機(jī)制,進(jìn)而總結(jié)了各種抗輻射措施,概述了地面輻射模擬試驗(yàn)、加固保障等技術(shù),最后指出了抗輻射研究的方向。1輻射環(huán)境的描述根據(jù)來(lái)源不同,將空間天然輻射分為太陽(yáng)活動(dòng)、宇宙射線、捕獲帶和次級(jí)輻射。1.1太陽(yáng)活動(dòng)的粒子實(shí)驗(yàn)和研究太陽(yáng)輻射是空間輻射環(huán)境中最活躍和最主要的因素,經(jīng)長(zhǎng)期觀測(cè),依據(jù)粒子能量和通量的不同,將太陽(yáng)活動(dòng)分為緩變型太陽(yáng)活動(dòng)和爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng),它們的輻射影響不盡相同。緩變型太陽(yáng)活動(dòng)期間,日冕持續(xù)不斷地向外膨脹,發(fā)射出速度為300～900km/s的太陽(yáng)風(fēng),其主要成分為電子和質(zhì)子,占95%以上,氦離子約占4.8%,其它離子含量甚少。太陽(yáng)風(fēng)中低能粒子通量較大,高能粒子通量極低。在太陽(yáng)低年寧?kù)o期,1AU處的粒子主要由大量低能太陽(yáng)風(fēng)和極少量銀河宇宙射線(GCR)組成。爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)主要包括日冕物質(zhì)拋射(CME)和耀斑爆發(fā),有時(shí)也稱為太陽(yáng)粒子事件(SPE)、太陽(yáng)質(zhì)子事件、相對(duì)論質(zhì)子事件等。爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)期間,大量的帶電粒子流、高能射線進(jìn)入太空,高能粒子流的速度高達(dá)2000km/s以上,在爆發(fā)型太陽(yáng)最劇烈的5分鐘里,1AU處的粒子主要由高能粒子組成,其通亮比太陽(yáng)低年寧?kù)o期高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。太陽(yáng)活動(dòng)周期為11年,CME和耀斑等爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)在太陽(yáng)活動(dòng)低年發(fā)生概率較小,在活動(dòng)峰年發(fā)生概率極大。與相對(duì)恒定的緩變型活動(dòng)相比,爆發(fā)型活動(dòng)屬于小概率事件、持續(xù)時(shí)間極短、總能量小,但功率極高,其高能粒子通量比緩變型活動(dòng)劇增了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)航天電子設(shè)備和宇航員具有極大的破壞性,因此一直是太空輻射領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。在上述兩類(lèi)太陽(yáng)活動(dòng)中,伴隨著離子發(fā)射,還有行星際磁場(chǎng)發(fā)射,爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)射的行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度極高,到達(dá)地球時(shí)和地磁場(chǎng)相互作用,會(huì)對(duì)低軌衛(wèi)星、甚至地球環(huán)境造成極大影響。1.2gcr組分的特性GCR源自太陽(yáng)系外,其特點(diǎn)是離子密度極小、能量極高、各向同性。GCR的成分為83%的質(zhì)子、13%的氦離子、3%的電子和1%的其它高能離子,GCR的總能量和通量極低。在太陽(yáng)活動(dòng)低年,GCR通量略有提高,反之略有下降。1.3范阿輻射帶分布太陽(yáng)發(fā)射的行星際磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)相互作用,導(dǎo)致地球磁層發(fā)生變形,向日一側(cè)被壓縮,背日一側(cè)被拉長(zhǎng),受惠于地磁場(chǎng)的作用,本來(lái)射向地球的帶電離子大都偏離原來(lái)的方向,沿磁尾方向離開(kāi)地球,使得萬(wàn)物生息。該作用使得地磁層很像一個(gè)拖著長(zhǎng)尾巴的彗星,如圖1所示。僥幸穿過(guò)磁層頂?shù)母吣茈x子到達(dá)地球附近時(shí),被地球磁場(chǎng)捕獲,形成環(huán)繞地球的、以地球南北極為軸的內(nèi)/外捕獲帶(類(lèi)似洋蔥),捕獲帶最早被VanAllen發(fā)現(xiàn),也稱為范阿倫輻射帶。內(nèi)捕獲帶位于子午平面上的緯度邊界約為±40度的殼形空間內(nèi)(該殼形空間在赤道上空的高度范圍為1.2L～2.5L,L為地球半徑,L=1表示在地球表面),內(nèi)捕獲帶主要由質(zhì)子和電子組成。外捕獲帶位于子午平面上的緯度邊界約為±55度至±70度的殼形空間內(nèi)(該殼形空間在赤道上空的高度為2.8L～12L),捕獲帶內(nèi)質(zhì)子和電子的通量與空間位置的關(guān)系如圖2和圖3所示。由于地球磁場(chǎng)強(qiáng)度不均勻,在南大西洋地區(qū)形成一個(gè)負(fù)異常區(qū),在該區(qū)200km左右的高度即有高能質(zhì)子存在。此外,在兩極地區(qū)由于磁力線的聚積作用,導(dǎo)致極區(qū)高能粒子的通量增大。在沒(méi)有爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)時(shí),捕獲帶內(nèi)高能粒子的組成和分布相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)發(fā)生,或行星際磁場(chǎng)對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí),捕獲帶內(nèi)高能粒子的能譜和通量將會(huì)激增、且捕獲帶更靠近地球,從而導(dǎo)致地球衛(wèi)星、甚至是地面電氣設(shè)施的故障。1.4輻射當(dāng)本源高能粒子穿過(guò)航天器材料時(shí),會(huì)發(fā)生核反應(yīng),激發(fā)出次級(jí)粒子和射線(包括穿透力強(qiáng)的韌致輻射和中子)。1.5太陽(yáng)風(fēng)和gcr空間天然輻射環(huán)境由多種粒子組成,其能量和通量連續(xù),其中既有相對(duì)穩(wěn)定的因素,如太陽(yáng)風(fēng)、捕獲帶和GCR,又有太陽(yáng)耀斑和CME等爆發(fā)因素。Wilson等人粗略地給出了空間環(huán)境的組成離子和能譜,如圖4所示。2單粒子事件累積效應(yīng)根據(jù)造成損傷的粒子多少可將輻射效應(yīng)分為:單個(gè)粒子造成單粒子事件(SEE),累積效應(yīng),如電離總劑量(TID)、位移損傷(DD)和航天器內(nèi)外帶電。它們具體損傷機(jī)理如下:2.1柵氧和界面捕獲是造成損傷的主要原因之一,主要表現(xiàn)為當(dāng)高能粒子射入MOS或雙極性器件時(shí),與氧化物(SiO2)發(fā)生作用,使之電離,產(chǎn)生大量電子空穴對(duì),這些電子空穴對(duì)具有復(fù)合和漂移兩種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。沒(méi)有外加電場(chǎng)時(shí),復(fù)合的趨勢(shì)較強(qiáng);有外加電場(chǎng)時(shí),電子和空穴沿電場(chǎng)方向相向運(yùn)動(dòng),由于電子的遷移率非常高,能很快離開(kāi)氧化物,從而使得空穴得以在氧化物內(nèi)累積,形成柵氧空穴捕獲。電場(chǎng)強(qiáng)度越大,電子遷移率越高、柵氧捕獲越強(qiáng),這是加電元器件的TID損傷比不加電元器件受損嚴(yán)重的原因。在電場(chǎng)作用下,還會(huì)在Si-SiO2界面形成界面捕獲。對(duì)于NMOS,當(dāng)Vg>0時(shí),界面捕獲為負(fù)性電荷累積;對(duì)于PMOS,當(dāng)Vg<0時(shí),界面捕獲為正性電荷累積。柵氧和界面捕獲在器件功能區(qū)寄生了額外的電場(chǎng),導(dǎo)致閾值電壓Vth和傳輸延時(shí)Tpd漂移、靜態(tài)電流Icc增加、晶體管放大系數(shù)衰減等一系列損傷。當(dāng)損傷超過(guò)一定限度時(shí),會(huì)造成器件失效。在輻射前期,柵氧捕獲是主要影響因素,隨著時(shí)間推移,界面捕獲將占主導(dǎo)地位,因此,PMOS的Vth為單調(diào)漂移,而NMOS的Vth開(kāi)始為負(fù)漂移、然后為正偏移,表現(xiàn)出“反彈現(xiàn)象”。柵氧捕獲常溫即可退火,在高溫(如100攝氏度)時(shí)能加速退火,是可恢復(fù)性損傷;界面捕獲累積速度慢,電荷捕獲非常穩(wěn)定,在常溫和柵氧捕獲能退火普通高溫條件下不會(huì)退火,在某些偏置條件下甚至?xí)觿〗缑娌东@的影響,從而加劇總劑量損傷,是難恢復(fù)或不可恢復(fù)損傷。2.2se損壞機(jī)SEE損傷的因果鏈為:高能粒子引起的等離子體徑跡?電荷在徑跡內(nèi)的流動(dòng)?寄生器件或薄弱環(huán)節(jié)被激活?導(dǎo)致各類(lèi)損傷。具體損傷機(jī)理如下:2.2.1中心電壓差異衍生pnpn結(jié)構(gòu)模型發(fā)生SEL的外因是:當(dāng)單個(gè)高能粒子射入Si和SiO2等區(qū)域時(shí),高能粒子徑跡附近會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的瞬態(tài)電離,形成瞬態(tài)等離子體,可以形象地將徑跡稱為“瞬態(tài)等離子體針”,在“等離子體針”消失前,如果“等離子體針”范圍內(nèi)有電勢(shì)差存在,就會(huì)有電流流過(guò)。發(fā)生SEL的內(nèi)因是:CMOS電路中寄生著雙極性晶體管構(gòu)成的PNPN器件,以圖5(a)中的非門(mén)為例,P襯底上NMOS的n+、P襯底的p-、以及N阱的n+接觸墊可以構(gòu)成水平的寄生NPN晶體管Vsub,N阱上PMOS的p+、N阱的n-、以及P襯底的p+接觸墊可以構(gòu)成垂直的寄生PNP晶體管Vwell;圖5(b)為寄生PNPN的等效電路,其中Rwell和Rsub分別為阱接觸和襯底接觸的寄生電阻。正常情況下,Vsub和Vwell集電結(jié)零偏、發(fā)射結(jié)正偏,處于截止?fàn)顟B(tài),此時(shí)VCC和GND之間具有很高的阻抗。當(dāng)高能粒子射入阱和襯底之間時(shí),阱和襯底之間就會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間的導(dǎo)通,由于電勢(shì)差的存在,就會(huì)在阱和襯底之間就有電流流過(guò),從而在寄生的Rwell和Rsub上形成電壓降,造成Vsub的發(fā)射結(jié)正偏,當(dāng)正偏電壓足夠大時(shí),就會(huì)使得Vsub導(dǎo)通,Vsub的導(dǎo)通又會(huì)導(dǎo)致Vwell的導(dǎo)通,從而使得PNPN進(jìn)入正反饋,此時(shí)VCC和GND呈現(xiàn)低阻態(tài),如沒(méi)有限流措施,低阻態(tài)產(chǎn)生的大電流可將器件內(nèi)金屬線熔斷,造成永久性損傷。寄生PNPN結(jié)構(gòu)是CMOS電路特有損傷模式,文獻(xiàn)給出了CMOS閂鎖發(fā)生的三個(gè)條件:①PNPN結(jié)構(gòu)的回路增益β必須大于1;②必須存在合適激勵(lì),滿足激活寄生晶體管需要有恰當(dāng)偏置和足夠啟動(dòng)電流的條件,使得閂鎖正反饋得以開(kāi)始;③電路電源必須提供足夠的電流,使得閂鎖正反饋得以維持。在實(shí)際的CMOS芯片上,有許多可能參與閂鎖的寄生電阻和寄生雙極性晶體管,會(huì)形成比圖5更復(fù)雜的寄生電路,隨寄生電路參數(shù)組合不同,閂鎖電流大小差別很大。關(guān)閉狀態(tài)的NMOS管會(huì)發(fā)生SES(Singleeventsnapback)損傷,其等效電路為單個(gè)NMOS管的n+源和n+漏與下部的直接基材(襯底或阱)形成水平寄生NPN的雙極性晶體管(因此Snapback也稱為單晶體管閂鎖(singletransistorlatchup))、以及基極上的寄生電阻,當(dāng)重離子打入源時(shí),由于源對(duì)襯底有電壓存在,寄生電阻上會(huì)有電流和電壓降,從而滿足激活寄生BJT發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大條件;同時(shí),源對(duì)襯底的電壓會(huì)在寄生電阻上提供維持寄生BJT導(dǎo)通的電流,維持寄生BJT的導(dǎo)通狀態(tài)。長(zhǎng)時(shí)間較強(qiáng)的BJT導(dǎo)通電流會(huì)導(dǎo)致NMOS管的熱損傷,造成永久傷害。2.2.2sram單元故障SEU機(jī)理如下:當(dāng)?shù)入x子體徑跡附近存在電勢(shì)差時(shí),會(huì)引起電荷的轉(zhuǎn)移,當(dāng)電荷轉(zhuǎn)移足夠大時(shí),將引起相關(guān)單元邏輯狀態(tài)改變,即邏輯翻轉(zhuǎn)。字節(jié)中單個(gè)位翻轉(zhuǎn)稱為SEU,當(dāng)一個(gè)字節(jié)發(fā)生多位翻轉(zhuǎn)時(shí),稱為多位翻轉(zhuǎn)MBU。以圖6中SRAM單元為例,當(dāng)重離子轟擊左下側(cè)的NMOS管、并致其導(dǎo)通時(shí),會(huì)導(dǎo)致A點(diǎn)因接地而從1變0,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致B點(diǎn)從0變1。除SRAM外,觸發(fā)器、鎖存器等時(shí)序邏輯器件也會(huì)發(fā)生SEU故障。事實(shí)上,由于器件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,實(shí)際的SEU的故障機(jī)理比圖6更為復(fù)雜。當(dāng)位翻轉(zhuǎn)發(fā)生在器件的控制或配置單元時(shí)(如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片的工作模式選擇寄存器、CPU的尋址寄存器、FPGA的配置單元),配置單元的翻轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致器件功能錯(cuò)誤,即發(fā)生了SEFI。當(dāng)重離子轟擊在模擬器件的敏感器,會(huì)導(dǎo)致模擬信號(hào)的瞬態(tài)擾動(dòng),超過(guò)一定程度的瞬態(tài)擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電路誤動(dòng)作,即發(fā)生單粒子瞬態(tài)擾動(dòng)(SET),顯見(jiàn)SET和SEU的內(nèi)在物理機(jī)制相同。2.2.3功率mosfet關(guān)斷在功率型MOSFET中,為了提高電流強(qiáng)度,常采用成千上萬(wàn)個(gè)并聯(lián)的MOS管、或源漏接觸面積大的條狀MOS管,單個(gè)MOS管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7所示。源與其下的襯底之間形成了一個(gè)垂直的寄生NPN雙極性晶體管BJT(與SEL的水平加垂直寄生結(jié)構(gòu)、SES的水平寄生結(jié)構(gòu)不同),其中發(fā)射極為n+源、基極為p阱、集電極為n外延襯底。當(dāng)MOSFET關(guān)斷時(shí),源處于高壓狀態(tài),如高能粒子穿過(guò)該高壓源區(qū)(寄生BJT的發(fā)射極),就會(huì)激發(fā)垂直寄生BJT,MOSFET的高壓將導(dǎo)致寄生BJT發(fā)射極和集電極之間有大電流流過(guò),進(jìn)而造成高壓n+源的熱擊穿、直至熔化,即發(fā)生單粒子燒毀SEB。當(dāng)功率MOSFET導(dǎo)通時(shí),源和漏之間有瀉放通路時(shí),不會(huì)導(dǎo)致SEB。功率BJT和MOSFET寄生的BJT結(jié)構(gòu)相同,因此在功率型高壓BJT中也存在SEB問(wèn)題。由損傷機(jī)理可知,高電壓是SEB的必要條件,工作于低電壓的功率型MOSFET、BJT、以及低電壓邏輯MOS管都不會(huì)發(fā)生SEB,這也是防護(hù)SEB的一種有效措施。此外,當(dāng)功率MOS管關(guān)斷時(shí),還會(huì)發(fā)生SEGR損傷。如圖8所示左側(cè)所示,當(dāng)重離子轟擊在柵極下側(cè)時(shí),襯底內(nèi)的徑跡附近將產(chǎn)生高密度等離子體,在電場(chǎng)作用下,電子空穴對(duì)相向漂移,形成圖8右側(cè)所示的電荷累積。此時(shí),柵氧類(lèi)似具有大量電荷累積的電容,當(dāng)電容兩端壓差足夠高時(shí),會(huì)擊穿柵氧結(jié)構(gòu),從而造成不可恢復(fù)的物理?yè)p傷。2.2.4單粒子固定位故障隨著工藝提高,單個(gè)晶體管特征尺寸已減小到與單個(gè)高能重粒子的電離徑跡大小相當(dāng),單個(gè)高能粒子撞擊集成電路所沉積的局部劑量已能夠造成單個(gè)MOS管失效于某固定狀態(tài),不能響應(yīng)正常的偏置變化,這就是單粒子固定位故障,也稱為microdose效應(yīng)。2.3衛(wèi)星軌道衛(wèi)星的表面電位內(nèi)外帶電損傷的因果鏈為:輻射環(huán)境?內(nèi)外帶電?ESD?各種損傷,下面詳述因果鏈中的各因素。外帶電的原因主要是等離子體和光電效應(yīng),由于等離子體中電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于其它粒子的質(zhì)量,電子的運(yùn)動(dòng)速度將遠(yuǎn)高于其它粒子的速度。當(dāng)衛(wèi)星剛沉浸在等離子體中、未充電時(shí),首先會(huì)有大量高速運(yùn)動(dòng)的電子和少量低速的其它離子沉積在衛(wèi)星表面,形成電子收集電流Ie和離子收集電流Ii;材料表面在入射電子和離子作用下產(chǎn)生次級(jí)輻射電子和離子,形成沉積的輻射離子電流Isi和離開(kāi)的輻射電子電流Ise;電子入射到材料表面時(shí),由于相互之間的碰撞,會(huì)產(chǎn)生反射電子,形成反射電子電流Ib;如果材料處于光照區(qū),表面會(huì)射出光電子,形成光電子電流Ip。因此,材料表面總電流It=Ie—(Ii+Isi+Ise+Ib+Ip)。充電開(kāi)始時(shí),由于電子運(yùn)動(dòng)速度高,總電流主要以電子收集電流為主,衛(wèi)星表面將形成負(fù)電位、并不斷降低,隨著電位降低,衛(wèi)星表面對(duì)電子的排斥力和對(duì)離子的吸引力加大,使總電流趨于零,此時(shí)即形成了相對(duì)于等離子體為負(fù)的平衡電位,即“絕對(duì)外帶電”。表面電位與等離子體密度和能量相關(guān),研究表明在100ev和300ev的等離子體中,衛(wèi)星表面電位分別達(dá)-270v和-830v。由于高軌為熱等離子體環(huán)境、極軌有大量高能沉積電子,而非極軌LEO為冷等離子體環(huán)境,因此高軌和極軌處衛(wèi)星的表面負(fù)電位比非極軌LEO衛(wèi)星要嚴(yán)重得多。在衛(wèi)星迎光面,持續(xù)的光線照射使得光電作用產(chǎn)生的電子不斷逃離衛(wèi)星表面,衛(wèi)星迎光面逐漸呈現(xiàn)幾伏至幾十伏的正電位,而背光面仍存在較高的負(fù)電位,導(dǎo)致兩區(qū)域間存在巨大的靜電電位差,即“相對(duì)外帶電”,這是衛(wèi)星在進(jìn)入或離開(kāi)地影區(qū)的時(shí)候容易損傷的原因。內(nèi)帶電的原因?yàn)?能量大于50kev的電子可以穿透航天器蒙皮,駐留于深層不良導(dǎo)體或孤立導(dǎo)體,形成內(nèi)帶電。由于高能電子在高軌和極軌的通量較大,因此這些軌道衛(wèi)星內(nèi)帶電問(wèn)題更嚴(yán)重,此外,在CME和耀斑爆發(fā)時(shí),高能電子的通量劇增且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),也會(huì)造成嚴(yán)重的內(nèi)帶電。絕對(duì)外帶電不會(huì)造成損害,而相對(duì)外帶電和內(nèi)帶電則會(huì)有ESD放電,形成強(qiáng)電流、強(qiáng)EMI干擾,使模擬器件出現(xiàn)虛假信號(hào)、數(shù)字信號(hào)出現(xiàn)邏輯翻轉(zhuǎn)、導(dǎo)致CMOS器件閂鎖。此外,帶電還會(huì)加劇光學(xué)部件的污染,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致光學(xué)通路失效。2.4位移損傷主要表現(xiàn)當(dāng)高能粒子入射到電子元器件及材料時(shí),它可以充分地靠近被輻射材料晶格原子的原子核,與原子核產(chǎn)生庫(kù)侖彈性碰撞,晶格原子在碰撞過(guò)程中得到機(jī)械能,離開(kāi)它正常的位置,從而形成器件功能部位的晶格缺陷。如果入射高能粒子能量足夠大,將會(huì)使晶格內(nèi)大量原子發(fā)生位移,形成大的缺陷簇。晶格缺陷會(huì)導(dǎo)致器件性能參數(shù)(晶體管放大系數(shù)、太陽(yáng)電池和CCD等光電敏感器件的轉(zhuǎn)換效率)退化,缺陷逐步累積,直至器件喪失功能,因此位移損傷屬于累積效應(yīng)。位移損傷與TID損傷表現(xiàn)類(lèi)似,但本質(zhì)不同:損傷機(jī)理不同,TID通過(guò)電離損失能量、而導(dǎo)致器件損傷,位移損傷通過(guò)機(jī)械能量傳遞損失能量、而導(dǎo)致器件損傷,屬于非電離能量損失(NIEL);位移損傷對(duì)象主要包括雙極性器件、太陽(yáng)電池和CCD等光電敏感器件,而TID損傷對(duì)象更廣;TID與器件加電狀況有關(guān),位移損傷與加電與否無(wú)關(guān)。3抗輻射措施的硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而言,抗輻射就是斬?cái)喔黝?lèi)輻射損傷的因果鏈,從而避免在軌發(fā)生輻射損傷。本文主要從元件和電路的角度考察抗輻射措施,而不包括TMR、EDAC等系統(tǒng)級(jí)容錯(cuò)的抗輻射措施,該部分內(nèi)容參見(jiàn)文獻(xiàn)?？馆椛浯胧┘劝ㄍㄓ糜谒休椛鋼p傷的方法,如微電子抗輻射加固設(shè)計(jì)、電路抗輻射加固設(shè)計(jì)、軌道選擇、屏蔽等,也包括針對(duì)SEL和內(nèi)外帶電等特定輻射損傷的措施,下面分別進(jìn)行敘述。3.1器件抗輻射能力的提高針對(duì)各種輻射損傷機(jī)理,在元器件設(shè)計(jì)階段通過(guò)微電子材料選取、微電路設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布局等措施消除導(dǎo)致?lián)p傷的各類(lèi)寄生參數(shù),是抗輻射加固的有效措施,現(xiàn)在已經(jīng)形成了抗輻射加固電子學(xué),本文僅概述該學(xué)科的一般技術(shù),而不深入討論細(xì)節(jié)。在材料選取方面,SOI、SOS、GaAs等材料的抗輻射能力比Si要高,如SOI器件中MOS管和襯底之間絕緣隔離、降低了寄生PNPN回路增益、減少了可能的激發(fā)電流,從而消除了SEL。在設(shè)計(jì)微電子器件內(nèi)部的電路時(shí),通過(guò)采用抗輻射能力高的器件來(lái)提高外電路的抗輻射能力,一般的規(guī)則是:高頻晶體管比低頻晶體管強(qiáng),小功率晶體管比大功率晶體管強(qiáng),二極管比三極管強(qiáng),NPN晶體管比PNP晶體管強(qiáng),薄膜電阻比擴(kuò)散電阻強(qiáng),鍺晶體管比硅晶體管強(qiáng)。在工藝方面,通過(guò)盡可能減少寄生器件參數(shù)來(lái)緩解輻射效應(yīng),如柵氧注氟緩解TID效應(yīng)等;也可以通過(guò)結(jié)構(gòu)布局來(lái)減少寄生器件、緩解輻射效應(yīng),如通過(guò)采取在管子周?chē)黾痈綦x用的保護(hù)環(huán)來(lái)減少管子之間的漏電流,從而減緩TID損傷。3.2降額設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)方法電路抗輻射設(shè)計(jì)涵蓋電路設(shè)計(jì)、分析、仿真的全過(guò)程,主要包括FME(C)A(failuremodeeffectandcriticalityanalysis)、容差設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)等方法,這些方法的主旨是發(fā)現(xiàn)、預(yù)想損傷的薄弱環(huán)節(jié),采取加固或容忍設(shè)計(jì),提高電路抗輻射的能力。FME(C)A:通過(guò)分析損傷參數(shù)的變化、以及對(duì)其它部分影響,發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵或薄弱環(huán)節(jié),它是下述降額設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。降額設(shè)計(jì):通過(guò)有意降低元器件承受的電、熱等應(yīng)力,以降低元器件的輻射失效率。如對(duì)于功率MOSFET,研究表明較高的VDS更易發(fā)生SEB,所以通常對(duì)功率MOSFET的工作電壓進(jìn)行降額設(shè)計(jì)。容差設(shè)計(jì):對(duì)于TID和位移損傷等累積型輻射損,其輻射損傷表現(xiàn)為電路參數(shù)漂移,如晶體管放大倍數(shù)、MOS管柵極閾值電壓漂移等;如果電路參數(shù)設(shè)置不當(dāng),則一旦輻射導(dǎo)致參數(shù)漂移,將使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。因此,根據(jù)參數(shù)漂移規(guī)律,對(duì)器件參數(shù)進(jìn)行容差設(shè)計(jì),使得器件能可靠地“帶輕傷”工作。常用的容差設(shè)計(jì)方法包括采取差動(dòng)輸入、以消除共模信號(hào),加大放大器反饋深度,選擇合適的工作點(diǎn),以獲得較大的容差能力。以雙極性晶體管做驅(qū)動(dòng)為例,其直流工作點(diǎn)應(yīng)處于安全工作區(qū)內(nèi)、且適當(dāng)增加飽和晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電流,以抵消輻射引起的增益衰減和飽和電壓增大帶來(lái)的影響;此外,還應(yīng)限制雙極晶體管的扇出數(shù),以容忍TTL輸出晶體管增益的衰減。3.3金屬上的屏蔽效果屏蔽抗輻射的機(jī)理為:減緩一次粒子的能量、產(chǎn)生并吸收次級(jí)輻射,從而使得被屏蔽的元器件不受、或少受輻射損傷。屏蔽能顯著改善TID效應(yīng);在工程應(yīng)用中不可能用無(wú)限的屏蔽厚度來(lái)解決高能粒子、尤其是高能GCR,因此屏蔽只能在一定程度上緩解SEE和位移損傷。由于簡(jiǎn)單的大面積蒙皮屏蔽往往造成大量無(wú)用質(zhì)量(稱為死重),因此在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用在器件表面的管殼上進(jìn)行局部屏蔽,如NASA已經(jīng)應(yīng)用的技術(shù)可以將總劑量降低一個(gè)數(shù)量級(jí),在某些輻射環(huán)境中甚至更高。NASA還開(kāi)發(fā)了其它一些屏蔽技術(shù),如RAD-COATTM,PolyRAD等。原子序數(shù)不同的金屬對(duì)不同粒子的屏蔽效果不同,一般性的結(jié)論為:對(duì)于質(zhì)子,低原子序數(shù)的材料能提供較好的劑量衰減;對(duì)于電子和韌致輻射,高原子序數(shù)的材料能提供較好的劑量衰減;因此,一般都采用多層屏蔽結(jié)構(gòu),兩邊為低原子序數(shù)材料、中間為高原子序數(shù)材料,這意謂著:對(duì)于不同的輻射環(huán)境,需要對(duì)多層屏蔽材料的比例和排列順序進(jìn)行優(yōu)化,才能達(dá)到最好效果。3.4基于電流檢測(cè)的電源管理抗SEL和SEB的方法包括:限流、基于電流檢測(cè)的電源管理、周期性切機(jī)、設(shè)備自檢等方法。限流是最常用的方法,一般在電源入口串接小電阻,該方法可以有效阻止需要較大維持電流的閂鎖類(lèi)型,如5v電源串接5Ω的電阻,即可以有效防止電流大于1A的SEL和SEB。該方法的不足包括:由于串接電阻,增加了功耗;同時(shí),該方法不能有效防止小電流的SEL和SEB?；陔娏鳈z測(cè)的電源管理可以實(shí)時(shí)監(jiān)視電流大小,一旦電流超過(guò)某一設(shè)定閾值,則認(rèn)為發(fā)生了SEL或SEB,即自動(dòng)進(jìn)行斷電和加電的過(guò)程,從而消除閂鎖。NASA在工程中應(yīng)用的LPTTM就采用了這種策略。電源監(jiān)控和管理電路應(yīng)該采用雙極性晶體管,因?yàn)樗旧硎荢EL免疫的。此外,對(duì)冗余電路進(jìn)行周期性切機(jī)是防止小電流閂鎖的有效方法,采取冷備份方式還有助于TID退火。3.5帶著于內(nèi)部循環(huán)的土壤厚度設(shè)計(jì)防止內(nèi)外帶電損傷的方法很樸素:①采用屏蔽,不讓電荷進(jìn)來(lái);②構(gòu)建良好的瀉放通路,不讓進(jìn)來(lái)的電荷累積、或累積的電荷有安全的瀉放通路。Briet認(rèn)為:通過(guò)良好的接地、構(gòu)建瀉放通路來(lái)避免ESD,是避免航天器帶電損傷的最有效方法?；谶@種考慮,在PCB設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)分配足夠的地層,布線完成后要在信號(hào)層上對(duì)地敷銅。針對(duì)航天器內(nèi)外帶電,NASA分別推出了NASA-HDBK-4002和NASA-TP-2361,其中給出了眾多的設(shè)計(jì)細(xì)則,其核心內(nèi)容為接地控制、材料電阻率控制。上述方法屬于被動(dòng)的帶電防護(hù),S.Lai探討了主動(dòng)帶電防護(hù)的方法,包括主動(dòng)電子/離子發(fā)射等,如ISS空間站內(nèi)就采用了離子風(fēng)以抑制內(nèi)外帶電的影響。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),被動(dòng)和主動(dòng)防護(hù)都是接地技術(shù)的一種擴(kuò)展和延伸。4抗輻射加固保障技術(shù)的要素抗輻射加固保障是保障衛(wèi)星可靠性的重要手段,國(guó)外已經(jīng)形成了一個(gè)獨(dú)立的工程技術(shù)領(lǐng)域。加固保障技術(shù)是確保元件、模塊、分系統(tǒng)或系統(tǒng)能在特定輻射環(huán)境下正常工作的技術(shù)總和,包括技術(shù)、組織方法、文檔管理、過(guò)程管理等,在一個(gè)項(xiàng)目中,抗輻射加固保障技術(shù)考慮的越晚,那么發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所造成的影響和代價(jià)也就越大?？馆椛浼庸瘫Ｕ霞夹g(shù)包括如下6個(gè)基本要素:(1)空間輻射環(huán)境的計(jì)算和分析;(2)通過(guò)試驗(yàn)和分析確定目標(biāo)的受損情況,以及定量的參數(shù)變化;(3)采取加固措施;(4)施加輻射,測(cè)量輻射強(qiáng)度和目標(biāo)的受損參數(shù),驗(yàn)證加固措施;(5)判斷器件抗輻射能力是否滿足需求,根據(jù)需要,可重復(fù)步驟1到步驟5的循環(huán);(6)把經(jīng)驗(yàn)傳給后續(xù)的抗輻射加固保障項(xiàng)目中,該條最重要,但也最容易被忽視。前文已經(jīng)介紹了6個(gè)要素中的大部分內(nèi)容,下面著重介紹輻射環(huán)境模型、應(yīng)用和輻射模擬試驗(yàn)。4.1基于軌道系統(tǒng)的輻射環(huán)境分析輻射模型和應(yīng)用的目的是通過(guò)計(jì)算(而不是實(shí)測(cè))得到目標(biāo)位置的輻射劑量,預(yù)測(cè)可能的輻射損傷。這涉及到空間原始輻射環(huán)境模型和應(yīng)用分析兩部分。在空間原始輻射環(huán)境模型方面,最著名的是NASA針對(duì)1.14L～6.6L捕獲帶的模型AP-8和AE-8(歷經(jīng)27年43顆衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果),該模型為靜態(tài)的平均模型,粒子各向同性。近幾十年來(lái),NASA、ESA、Boeing等機(jī)構(gòu)陸續(xù)為捕獲帶、太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)、GCR、磁暴、原子氧等建立了更加深入更加細(xì)致的空間輻射環(huán)境模型。SpaceRadiation、Spenvis、Creme96等工具就是根據(jù)這些模型、以及用戶的輸入條件(軌道6要素、發(fā)射時(shí)間),就可以計(jì)算出給定軌道的原始輻射參數(shù)。在應(yīng)用分析方面,一般采用蒙特卡羅方法計(jì)算各種粒子在衛(wèi)星材料中的輸運(yùn)過(guò)程,從而得到屏蔽后的總劑量、輸運(yùn)后的粒子能譜。用蒙特卡羅分析計(jì)算總劑量的工作量大,在工程實(shí)踐中常采用簡(jiǎn)化方法,如針對(duì)軌道已知的原始總劑量環(huán)境,SPENVIS就采取扇區(qū)法進(jìn)行總劑量的簡(jiǎn)化計(jì)算,該算法從航天器內(nèi)部指定的目標(biāo)位置出發(fā),對(duì)屏蔽材料分割,根據(jù)每個(gè)分割面的厚度,通過(guò)查表求得經(jīng)該厚度材料屏蔽后的等效劑量,然后除以該分割面相對(duì)于目標(biāo)位置的立體角,即得到來(lái)自該分割面的輻射劑量,將所有分割面的劑量累加即得到該目標(biāo)位置的總輻射劑量。除總劑量和粒子輸運(yùn)后的能譜分析外,一些工具還支持其它輻射損傷分析,如Spenvis工具結(jié)合了空間應(yīng)用中典型材料的充放電特性、原子氧模型、粒子輸運(yùn)模型,可進(jìn)行在軌衛(wèi)星內(nèi)外帶電、原子氧腐蝕和多層屏蔽優(yōu)化等;Creme96工具還可以預(yù)測(cè)已知特性器件的在軌翻轉(zhuǎn)率等。4.2般器件tid損傷參數(shù)輻射試驗(yàn)的目的是獲得空間輻射參數(shù)與器件受損之間的準(zhǔn)確關(guān)系,輻射試驗(yàn)輸出的結(jié)果是空間輻射與器件受損之間的準(zhǔn)確關(guān)系。隨器件不同輻射受損參數(shù)也不同,如一般器件的TID損傷參數(shù)包括Vth、Tpd與ICC,Flash存儲(chǔ)器的TID損傷還表現(xiàn)為編程電壓的變化。輻射試驗(yàn)包括空間飛行試驗(yàn)和地面模擬試驗(yàn),在空間試驗(yàn)成本太高,在地面上真實(shí)重現(xiàn)空間環(huán)境是不可能和不經(jīng)濟(jì)的(這是因?yàn)榭臻g輻射環(huán)境是多種粒子、連續(xù)能譜的復(fù)合環(huán)境),因此建立簡(jiǎn)化的試驗(yàn)環(huán)境來(lái)模擬實(shí)際的空間輻射,是常用的輻射試驗(yàn)方法。輻射試驗(yàn)可以分為輻射環(huán)境設(shè)置(輻射源選取,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))、器件受損參數(shù)測(cè)定、以及后續(xù)數(shù)據(jù)分析三個(gè)環(huán)節(jié)。4.2.1器件的定量兜底試驗(yàn)常見(jiàn)輻射源包括脈沖激光、X射線、Co-60γ源、高能離子源(锎、镅、鍶等)、中子模擬源、電子直線加速器,和重離子加速器等,這些輻射源的試驗(yàn)成本和試驗(yàn)復(fù)雜度大致呈遞增趨勢(shì)。輻射源的選取要根據(jù)試驗(yàn)成本約束、試驗(yàn)精度要求、器件應(yīng)用環(huán)境、以及試驗(yàn)受損對(duì)象而定,如:在大量單粒子效應(yīng)定性普查階段,最好選用脈沖激光,以實(shí)現(xiàn)快速低成本的目標(biāo);而在關(guān)健芯片的定量摸底時(shí),就應(yīng)該采用重離子源或加速器;不能選用X射線做位移損傷試驗(yàn),不能選用Co-60來(lái)評(píng)估重金屬屏蔽效果(重金屬能較好地屏蔽重離子,但屏蔽γ射線效果較差。),評(píng)估在質(zhì)子豐富的內(nèi)捕獲帶運(yùn)行的航天器最好采用質(zhì)子加速器等。此外,人們還發(fā)現(xiàn)某些器件具有劑量增強(qiáng)效應(yīng),即X射線或低能伽馬射線射入不同原子序數(shù)材料組成的界面時(shí),在低原子序數(shù)材料的界面將產(chǎn)生劑量增強(qiáng)效應(yīng)。因此,對(duì)含有鎢和鉭等重金屬層的器件進(jìn)行等劑量輻射時(shí),X射線的TID損傷比Co-60和高能重離子嚴(yán)重得多。4.2.2對(duì)tid的影響地面的模擬輻射試驗(yàn)需要與實(shí)際太空輻射具有等效性,近年來(lái)人們發(fā)現(xiàn)多種試驗(yàn)條件會(huì)影響兩者之間的等效性,如:①極低劑量率問(wèn)題(ELDRS):對(duì)于線性集成電路,如運(yùn)算放大器、比較器、和數(shù)模轉(zhuǎn)換器件等,在總劑量相同的情況下,極低劑量率輻射導(dǎo)致的損傷要比高劑量率輻射嚴(yán)重得多;②輻射前溫度老化對(duì)TID的抑制效果(PETS):過(guò)去認(rèn)為器件生產(chǎn)中高溫過(guò)程后,器件的TID能力即已固定,即器件輻射前的老化不影響TID結(jié)果。但近來(lái)人們發(fā)現(xiàn):某些器件輻射前的高溫老化過(guò)程會(huì)顯著降低器件抗TID的能力;③此外,人們還發(fā)現(xiàn)器件偏置情況和退火偏置情況對(duì)TI