王義元，韓冬梅，趙志明，柳征勇

衛(wèi)星元器件抗輻射指標(biāo)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(jì)中對(duì)選用的電子元器件提出了抗輻射指標(biāo)要求。隨著航天器設(shè)計(jì)壽命增加，對(duì)元器件提出的抗輻射指標(biāo)越來越高，因此需要優(yōu)化對(duì)元器件的抗輻射指標(biāo)要求，以降低因輻射指標(biāo)不滿足而限制元器件的選擇范圍。通過對(duì)國內(nèi)外抗輻射指標(biāo)體系的對(duì)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(biāo)的優(yōu)化方法。對(duì)在軌翻轉(zhuǎn)概率的影響因素進(jìn)行分析，并采用典型數(shù)據(jù)的單粒子翻轉(zhuǎn)概率評(píng)估，明確采用單一LET閾值指標(biāo)的局限?？倓┝啃?yīng)和單粒子效應(yīng)指標(biāo)均有優(yōu)化的方法和空間。通過對(duì)輻射環(huán)境的細(xì)化分析，降低輻射設(shè)計(jì)裕度，可降低總劑量的輻射指標(biāo)要求。結(jié)合單粒子效應(yīng)的應(yīng)用需求以及防護(hù)設(shè)計(jì)，降低對(duì)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(jì)中對(duì)選用的電子元器件提出了抗輻射設(shè)計(jì)要求。隨著長(zhǎng)壽命航天器設(shè)計(jì)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(hào)中對(duì)元器件提出的抗輻射指標(biāo)也越來越高，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)中元器件的選擇范圍受限，且元器件的費(fèi)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(biāo)器件的抗總劑量能力調(diào)研和單粒子翻轉(zhuǎn)率的評(píng)估結(jié)果，分析不同指標(biāo)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(biāo)的建議。

1 元器件空間輻射效應(yīng)及其防護(hù)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(hào)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(jì)過程中，形成了多種的防護(hù)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(duì)，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(duì)缺陷，造成位移損傷，會(huì)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(duì)電子元器件和材料的損傷并非是瞬時(shí)產(chǎn)生的，而是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累而逐漸加重。其指標(biāo)要求和防護(hù)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(gè)高能質(zhì)子和重離子穿越單元電路敏感區(qū)時(shí)，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)被器件內(nèi)部的電場(chǎng)收集，引起器件存儲(chǔ)、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(jī)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(yùn)放等模擬或數(shù)模混合電路。

1.2 電子系統(tǒng)輻射效應(yīng)防護(hù)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(jì)、工藝、材料等進(jìn)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(jì)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(jià)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(hù)。總劑量輻射防護(hù)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(shì)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(qiáng)，以降低敏感區(qū)域內(nèi)電子器件的輻射總劑量水平。同時(shí)，采用容差設(shè)計(jì)也可適當(dāng)提高整個(gè)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(hù)。航天電子系統(tǒng)的單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)：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(duì)工程或有效載荷數(shù)據(jù)完整性的要求。可從器件選用、電路設(shè)計(jì)、整機(jī)設(shè)計(jì)三個(gè)層面上進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)，通常采用硬件、軟件、容錯(cuò)技術(shù)等多種方式來進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。

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(hù)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(jìn)行單粒子效應(yīng)防護(hù)，可以取得良好的防護(hù)效果，但抗單粒子效應(yīng)加固器件的價(jià)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(hào)工程的需求。目前已發(fā)展了多種單粒子效應(yīng)防護(hù)措施，如硬件設(shè)置檢錯(cuò)糾錯(cuò)功能塊、設(shè)置硬件計(jì)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(biāo)要求

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

2.1 輻射設(shè)計(jì)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(duì)電子元器件進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)中提出了最小輻射設(shè)計(jì)裕度(RDM)的要求。美國和歐洲的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)最小輻射設(shè)計(jì)裕度有明確要求。

美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)RDM<2時(shí)，是不可接受的；210時(shí)，可以使用。歐洲標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，基于AE-8模型計(jì)算出的GEO軌道環(huán)境，可采用1.2的輻射設(shè)計(jì)裕度，其他軌道建議采用1.2~2。國內(nèi)暫無具體的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)

電離總劑量效應(yīng)指標(biāo)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(jiǎn)化為一個(gè)具有一定半徑的實(shí)心球，根據(jù)飛行器軌道參數(shù)，對(duì)球心處的輻射劑量與球的半徑（屏蔽厚度）之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)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(hào)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(jì)裕度得到航天器的抗總劑量指標(biāo)要求[1,3]。

由于輻射劑量一維分析不能體現(xiàn)飛行器實(shí)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(duì)飛行器內(nèi)部元器件的抗輻射指標(biāo)的要求。通過三維分析與一維分析的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)元器件的指標(biāo)可以降低2~25倍[3]。

2.3 單粒子效應(yīng)指標(biāo)

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(gè)參數(shù)。因空間輻射環(huán)境中帶電粒子的LET值對(duì)單粒子效應(yīng)具有較大的影響，型號(hào)總體為便于對(duì)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(duì)于采用了單粒子防護(hù)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(shí)還會(huì)提出單粒子效應(yīng)周期或概率的要求。

對(duì)于器件的單粒子指標(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)對(duì)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]。空間輻射環(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(dāng)器件單粒子效應(yīng)閾值大于15 MeV·cm2/mg時(shí)，可不考慮空間質(zhì)子的單粒子效應(yīng)。對(duì)空間高能粒子LET譜進(jìn)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(duì)器件單粒子效應(yīng)指標(biāo)的規(guī)定

表2 ESA對(duì)器件單粒子效應(yīng)指標(biāo)的規(guī)定

3 輻射指標(biāo)的應(yīng)用分析

3.1 電離總劑量指標(biāo)對(duì)器件選擇的約束

采用Space radiation 6.0對(duì)450 km圓軌道的15年的電離總劑量進(jìn)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(jì)裕度，則提出的總劑量指標(biāo)為5 rad(Si)。考慮在軌時(shí)間較長(zhǎng)，空間環(huán)境變化因素較多，采用4~10的輻射設(shè)計(jì)裕度時(shí)，則對(duì)元器件的總劑量指標(biāo)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(jí)中不含抗輻射性能指標(biāo)，即使是特軍級(jí)、宇航級(jí)或883級(jí)的產(chǎn)品對(duì)抗輻射指標(biāo)也不做強(qiáng)制要求[4-6]。未加固、無抗輻射指標(biāo)的器件一般也具有一定的抗輻射能力，可以通過試驗(yàn)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(jī)找FPGA、ADC、DAC、運(yùn)放、DC/DC、存儲(chǔ)器等20個(gè)未加固器件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，抗輻射能力統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 無抗輻射指標(biāo)器件的抗輻射能力分布

由此，對(duì)航天器制定不同的電離總劑量指標(biāo)要求，對(duì)未加固無加固指標(biāo)器件的選擇制約也就越大。當(dāng)要求為10 krad(Si)，90%的未加固器件均可滿足要求；當(dāng)要求為20 krad(Si)時(shí)，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(jì)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(shí)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(hào)對(duì)電離總劑量效應(yīng)指標(biāo)要求。

3.2 單粒子效應(yīng)指標(biāo)優(yōu)化需求

單粒子效應(yīng)屬于瞬時(shí)、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(dá)到100 MeV·cm2/mg時(shí)，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(biāo)的器件后，一般也應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施。即在電路、整機(jī)設(shè)計(jì)中采取系統(tǒng)的防護(hù)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(dāng)。單獨(dú)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(shí)驗(yàn)獲得，且在試驗(yàn)中可以同時(shí)獲得器件的LET閾值和單粒子效應(yīng)截面。因此，對(duì)器件提單粒子效應(yīng)時(shí)，可參考器件的單粒子效應(yīng)發(fā)生概率指標(biāo)?？紤]到單粒子效應(yīng)發(fā)生概率的計(jì)算評(píng)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(jì)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(gè)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(zhǎng)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(shí)，均可滿足在軌翻轉(zhuǎn)概率的要求。在軌應(yīng)用時(shí)LET閾值較高的B區(qū)器件的翻轉(zhuǎn)概率可能會(huì)大于LET閾值較小的A區(qū)器件。單獨(dú)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(biāo)的器件的價(jià)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(jià)格，發(fā)現(xiàn)有抗輻射指標(biāo)的器件價(jià)格是無加固指標(biāo)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(duì)型號(hào)經(jīng)費(fèi)影響可能很大。因此，在航天型號(hào)設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際環(huán)境和型號(hào)設(shè)計(jì)需求，提出具體的抗輻射指標(biāo)，可在保證在軌應(yīng)用需求的條件下，降低對(duì)元器件抗輻射性能的要求，既可以擴(kuò)大設(shè)計(jì)中器件的選擇范圍，還可以降低型號(hào)元器件經(jīng)費(fèi)。

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(duì)其輻射損傷敏感性不同。在航天型號(hào)設(shè)計(jì)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(duì)元器件提出抗輻射指標(biāo)要求。隨著在軌長(zhǎng)壽命的要求，只采用一維分析方法的總劑量指標(biāo)要求將限制型號(hào)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(biāo)的要求。

單粒子效應(yīng)種類較多，不同類型器件對(duì)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(hào)任務(wù)的特點(diǎn)，結(jié)合單粒子效應(yīng)的應(yīng)用需求以及防護(hù)設(shè)計(jì)方法，從多個(gè)角度提出單粒子效應(yīng)指標(biāo)。

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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(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱鳝h(huán)境與可靠性。