COTS器件的空间辐射效应范文

《电子元件与材料杂志》2015年第十一期

随着我国航天事业的发展，越来越多的电子元器件被用于航天器的组成部分。空间环境主要包括真空、中性、等离子体、辐射、微流星体和轨道碎片等环境。而这些空间环境能够引起航天器电子器件的损伤和故障，尤其辐射环境会带来严重的辐射效应。因此，本文主要对空间辐射环境进行分析，提高对航天器COTS（Commercial-off-the-shelf，商用现成品或技术）器件的空间环境适应性的重视，减少航天器在轨运行时由辐射环境引起的故障。

1COTS器件的应用背景

按照电子器件质量的国际分类方法可分为：宇航级、883B级、军级、工业级、商业级，而COTS器件一般是指大部分采用塑料封装的工业级或商业级的电子器件。在空间领域多使用宇航级电子器件，但是由于其生产周期长、批量小、价格昂贵，使高性能的COTS器件受到航天领域的广泛关注。国外早在20世纪70年代就对COTS器件的应用展开了研究，对于微处理器、电源等器件进行抗辐照评估，并采取相应的加固措施。2013年ECSS还了《商用器件EEE元器件空间产品保证》标准，保证用于空间项目的EEE元器件能够符合任务要求。而国内对于COTS器件的研究还处于初级阶段，得到的器件抗辐照资料比较落后，严重影响了我国对于COTS器件的选型和使用，大部分关键器件还是依赖国外进口，提高了航天任务的成本。因此，在航天领域中，对COTS器件抗辐照性能进行评估，根据评估结果，使用高性能的COTS器件，减少对国外进口的依赖，缩短研制周期都具有十分重要的意义。

2空间辐射环境对COTS器件的效应分析

2.1空间辐射环境的来源空间辐射环境的来源主要有地球辐射带、银河宇宙线、太阳质子事件等。

2.1.1地球辐射带(VAB)地球辐射带(VAB)又称范艾伦辐射带，是包围着地球的环状高能粒子辐射带，辐射粒子主要有电子和质子。如图1所示，地球辐射带包括内外两层，内辐射带离地面比较近，外辐射带离地面比较远。地球辐射带在地球磁层的一定磁纬度地区的上方，内外辐射带的主要成分、高度、磁纬度范围区别，如表1所示。地球辐射带内的带电粒子受到太阳风、宇宙线和高层大气相互作用而形成高能粒子，并在地球磁层的作用下不断辐射出电磁波，是电离辐射的主要来源之一。

2.1.2银河宇宙线（GCR）银河宇宙线(GCR)是来自银河系的能量超过1010eV的高能粒子流。银河宇宙线几乎包含了元素周期表中所有的元素，主要成分为质子、氦和重粒子。银河宇宙线的强度一般每5年和11年左右受太阳活动的影响。在活动高年，太阳风和行星际磁场都最强，银河宇宙线的辐射通量被极大地削弱，它的强度也就最低[1]。在活动低年，银河宇宙线的强度最高。在能量较低时，银河宇宙线具有较高的各向异性。除此之外，宇宙银河线还会和大气成分相互作用，产生次级宇宙线。

2.1.3太阳质子事件（SPE）除了太阳系外的银河宇宙线，太阳耀斑大爆发还会产生太阳宇宙射线[2]，产生大量高能粒子，又称为太阳质子事件（SPE）。太阳宇宙线主要成分为质子，还有α粒子和氦离子等。在太阳耀斑大爆发后的1h内到达地球，且质子逐渐形成最大通量，质子强度可瞬间超过银河宇宙线正常值的3~4个数量级。这种高能质子到达地球会对飞船任务或卫星设备等造成很严重的辐射损伤。

2.2空间辐射环境给COTS器件带来的主要效应由以上分析可以得出，很多空间辐射环境因素都会对在轨航天器电子器件产生辐射损伤，其中主要的空间辐射效应包括电离总剂量效应（TID）、单粒子效应（SEE）、位移损伤效应（DD）、充放电效应和低剂量率敏感性增强效应（ELDRS）等。

2.2.1总剂量效应(TID)总剂量效应属于累积效应。半导体器件在空间辐照环境中，内部漏电流增加，运算放大器输入失调变大，导致材料内部损伤。如果半导体器件长时间处于空间辐射环境下，它的电流、电压门限值、转换时间等特性受到的辐照效应就会逐渐积累下来，导致性能漂移或者功能衰退，严重时可导致器件完全失效[5]。

2.2.2单粒子效应单粒子效应属于瞬态效应，它是指空间辐射环境下的单个高能粒子入射到半导体器件时产生高密度的电子空穴对，并被器件的反偏PN结所吸收，导致半导体器件的电路逻辑状态发射瞬态的扰动甚至永久性的损伤。最常见的单粒子效应有单粒子翻转（SEU）、单粒子锁定(SEL)等[3]。表3是不同单粒子效应的类型和定义描述。在表3中，单粒子翻转和单粒子瞬态脉冲属于软错误，可通过重新写入程序或断开电源恢复到原始状态。而单粒子位移损伤、单个位硬错误、单粒子烧毁、单粒子门断裂等属于硬错误，永久性效应[4]。

2.2.3位移损伤效应位移损伤效应是指高能粒子导致半导体器件内部的原子离开了原始晶格位置，使原始晶格位置成为空位，形成弗伦克尔缺陷（Frenkeldefect），从而改变了原有的电学结构和性能。位移损伤主要对光电器件和少子器件影响较大，而对于MOS器件的影响较小。位移损伤效应的程度与辐射的强度、时间谱和能量谱的分布有关。

2.2.4表面充放电和内部充放电（ESD）当卫星浸入等离子体中时，大量的高速运动的电子和少量低速离子沉积在卫星表面，会形成辐射离子电流，同时在光照区中形成光电子电流，对器件材料的表面总电流产生影响。

3COTS器件抗辐射防护和加固措施

自1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功后，航天事业迅猛发展，至今已有通信卫星、气象卫星、侦察卫星、天文卫星等不同种类的卫星发射成功[6]。空间辐射环境是诱发航天器系统出现故障的主要因素之一，且居各故障因素之首。辐射环境中的单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应都会对COTS器件产生不同程度的损伤，导致航天器在轨运行出现故障。

3.1空间辐射环境的故障案例分析1989年3月份太阳耀斑爆发导致很多卫星出现异常和故障。如欧空局地球同步轨道卫星（MARECS_1）在太阳大耀斑的影响下出现多次“开关事件”，日本地球同步轨道气象卫星(CMS-3B)的遥测信号发生强烈扰动，导致卫星丢失部分数据。1989年8~10月份的特大太阳耀斑事件对GOES-5、GOES-6、GOES-7的太阳能电池造成损伤，输出参数发生错误。同时在此期间发生的两次太阳质子事件对GOES-7的太阳能电池也造成了严重性能损伤，大大降低了电池寿命[7]。1991年7月17日，欧洲ESA遥感卫星（ERS-1）在瞬态电流的影响下，在SAA附近高能质子引发卫星PRARE仪器的单粒子锁定效应，导致仪器发生故障。1993年11月，美国极紫外探测卫星（EUVE）由于单粒子翻转效应，导致探测器窗口发生紧急关闭故障。自1984年以来，美国多个跟踪与数据中继卫星（TDRS）由于卫星指令处理器电子设备出现单粒子翻转效应，导致卫星产生不同程度的故障。通过对表4~5的国内外近年来多颗卫星发生的故障分析后发现，在空间环境中，单粒子效应是诱发卫星故障的主要因素。各种空间环境效应之间还会产生耦合放大作用，如温度和真空效应会放大机械效应，机械效应会导致电效应、热效应、化学效应、表面充放电效应等。辐照效应会增加电效应、热效应、化学效应、表面充放电效应等。因此，为了确保航天器的安全运行，需要对航天器的电子器件进行空间环境适应性分析，并进行抗辐射加固。

3.2COTS抗辐射防护总体思路首先，应先对任务、产品进行空间辐射危害评估，主要包括任务总体的空间辐射及效应的分析和评估、分系统/单机的空间辐射危害分析评估、元器件的空间辐射危害评估和试验、单机（组件）的空间辐射危害试验。其次，对产品进行空间辐射防护设计，规定任务总体的空间辐射防护设计指标、要求、规范，以及元器件的选用，还有产品的硬件软件的防护设计等。在产品空间辐射防护设计后，还应对产品的空间辐射防护进行检验，包括空间辐射防护分析、模拟、试验，并对空间辐射防护进行评估和审查。

3.3COTS器件抗辐照测试试验

3.3.1元器件选型在选择元器件时首先应注意选择有质量体系保证的厂商生产的器件，尽量选择通用的产品型号并且尽量从商用或工业级、军品器件中选择，压缩器件种类，降低筛选的成本。其次，在器件选型时还可参考元器件的抗辐照TID等级，TID等级越高，工艺越细致，抗辐照性能越好。在COTS器件的不断小型化、高性能的同时，封装技术也会对抗辐射性能产生影响[8]。在综合考虑加工工艺、封装水平、抗辐照TID指标后进行元器件选型。但是大部分元器件没有TID指标，只能依靠抗辐照试验来增强在元器件选型时的可靠性依据。对已有的NASA、ESA的COTS器件试验数据进行分析，优选出已有数据的COTS器件，对存在风险的COTS器件进行高性能COTS器件的替换。本文主要对三个方面的COTS器件进行可用性评估（包括计算机最小系统、电源、部分射频器件等），如表6所示。

3.3.2COTS器件抗辐照试验在经过元器件选型后，元器件使用前应对其进行抗辐照试验。主要有单粒子和总剂量两个试验。测试系统主要结构包括上位机、控制电路以及两块辐照板。测试试验主要通过搭建抗辐照试验平台，使用主控计算机来控制抗辐照测试板，完成主要器件的功能测试、电流监测、数据传输和处理测试等任务。抗辐照测试试验需模拟空间环境，选用重离子源或者回旋加速器作为单粒子辐射源，重离子（如Co-g射线）作为总剂量辐射源[9]。使用对照试验的方法，将待测器件开帽处理，暴露在辐射环境下；而对照组采用铅砖屏蔽处理，其他试验条件保持一致，同时改变辐射条件，记录并分析试验结果的变化。

3.4抗辐照加固抗辐射加固可以在器件选型、原理设计、PCB布局与设计、接口滤波和保护、部件和单机的冗余容错设计、FPGA和CPU的软件设计等环节中进行，主要有工艺和设计两方面的加固技术，而工艺加固主要是制造厂商在元器件生产的过程中使用特殊工艺（如SOI）进行流片处理，加到元器件的制造中达到抗辐射加固的设计目的[10]。因此，对于工艺加固来讲，只能在元器件选型时注意元器件抗辐照等级来提高抗辐射性能。单粒子效应抗辐射加固设计主要采用看门狗、冗余设计以及对数字通信接口进行EDAC(ECC）纠错校验等措施实现抗辐照加固；对器件进行限流设计，防止长时间过流导致单粒子烧毁效应（SEB）[11]。对航天器电子设备电路进行实时电流监视。当电流过大时及时断电防止单粒子闭锁效应（SEL），实现SEL加固。总剂量效应抗辐射加固设计主要考虑器件布局、局部器件加强屏蔽防护设计等。

4结束语

主要分析了空间辐射环境下主要辐射效应的来源、原因以及现象。并结合实际的航天器故障案例分析，结合了具体的关键COTS器件，找出抗辐射防护和加固措施。单粒子效应和总剂量效应是空间辐射环境中影响航天器电子器件的主要因素。随着不断提高航天器部件的可靠性设计，并进行抗辐照加固等措施，可以有效降低单粒子和总剂量效应带来的危害。

作者：贾文远 安军社 单位：中国科学院大学 中国科学院国家空间科学中心