如何選擇抗輻射能力航天元器件

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)境對這些器件的性能會產(chǎn)生不同程度的影響，甚至使其失效。針對各種輻射效應(yīng)，在器件的材料、電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝制造及封裝等各個環(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(huán)境中也會有不同的反應(yīng)。

空間輻射環(huán)境主要來自宇宙射線、太陽耀斑輻射及環(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，但由于它是一個累積效應(yīng)，當(dāng)劑量率累計到一定值時，將導(dǎo)致電子器件的性能發(fā)生變化，嚴(yán)重時將導(dǎo)致器件完全失效，使電子設(shè)備不能正常工作。目前運行的衛(wèi)星在其有效壽命里，內(nèi)部將會受到的總劑量為102～104Gy（Si）的輻射。單粒子效應(yīng)（SEE）是空間電子系統(tǒng)必須面對和需要解決的另一個空間輻射問題。自1975年發(fā)現(xiàn)單個高能粒子能引起CMOS器件發(fā)生鎖定（SEL）以來，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⊿EGR）、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)生的瞬時輻射環(huán)境的時間很短（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)輻射的次級效應(yīng)，對于戰(zhàn)略武器和航天器的電子系統(tǒng)，都是必須重視的瞬時損傷因素。因此運行在輻射環(huán)境的航天型號在選擇電子器件時，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(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)計裕度（RDM），RDM在2至11之間，根據(jù)具體的航天型號總體要求（風(fēng)險、成本、進(jìn)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(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，則應(yīng)選RHA為F等級的器件。當(dāng)所選器件無RHA要求時，應(yīng)進(jìn)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(dāng)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(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，因此對器件SEU敏感度的評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數(shù)據(jù)或分析結(jié)果。

對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，應(yīng)對其鎖定閥值進(jìn)行評估。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影響器件的單粒子敏感度，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)予以考慮。適當(dāng)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(zhì)子的屏蔽效果不明顯。

附件：輻射加固保證（RHA）等級

RHA等級符號 輻射總劑量/rad（Si）

M 3×103

D 104

P 3×104

L 5×104

R 105

F 3×105

G 5×105

H 106