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航天元器件抗辐射能力选择

2020.9.28

随着空间技术、航天战略武器及微电子技术的快速发展，越来越多的电子元器件被航天产品所采用。其中半导体器件（包括：半导体分立器件、集成电路等）大多数是辐射敏感器件，辐射环境对这些器件的性能会产生不同程度的影响，甚至使其失效。针对各种辐射效应，在器件的材料、电路设计、结构设计、工艺制造及封装等各个环节采取加固措施，使其具有一定的抗辐射性能。选择抗辐射加固的器件应用在空间辐射环境中，将能提高航天器的可靠性和使用寿命；应用在战略武器中，将能提高其效能和突防能力。空间辐射环境对电子器件主要产生电离辐射总剂量（TID）效应和单粒子效应（SEE）；核辐射环境尤其是核爆炸环境，主要产生瞬时电离辐射总剂量效应、中子辐射效应和电磁脉冲损伤效应。不同的辐射环境对电子器件的影响各不相同，不同类型的电子器件在同一辐射环境中也会有不同的反应。

空间辐射环境主要来自宇宙射线、太阳耀斑辐射及环绕地球的内外范·艾伦辐射带等。虽然辐射剂量率很低，不同轨道的剂量率范围一般在0.0001～0.01rad（Si)/s之间，但由于它是一个累积效应，当剂量率累计到一定值时，将导致电子器件的性能发生变化，严重时将导致器件完全失效，使电子设备不能正常工作。目前运行的卫星在其有效寿命里，内部将会受到的总剂量为102～104Gy(Si)的辐射。单粒子效应（SEE）是空间电子系统必须面对和需要解决的另一个空间辐射问题。自1975年发现单个高能粒子能引起CMOS器件发生锁定（SEL）以来，不断发现由单粒子引起的器件失效情况，包括功率MOS器件发生烧毁（SEB）、单粒子栅穿（SEGR）、单粒子翻转（SEU）等现象。随着器件集成度的提高，以及工作电压的降低，器件对单粒子效应的敏感度也大幅度提高，成为影响航天器在轨运行的重要因素。核辐射环境主要由α、β、中子、γ射线及核电磁脉冲组成。高空核爆炸产生的瞬时辐射环境的时间很短（一般为10～15s）。瞬态剂量率辐射效应、中子辐射位移损伤效应以及瞬态辐射的次级效应，对于战略武器和航天器的电子系统，都是必须重视的瞬时损伤因素。因此运行在辐射环境的航天型号在选择电子器件时，必须根据器件承受的辐射环境，选择具有足够抗辐射能力的器件，并留有一定的余量，以保证所选器件在辐射环境中稳定可靠地运行。

航天型号在轨运行时间一般可分为长期、中期、短期三类，一般情况下要求器件具有抗总剂量辐射的能力如表所示。但空间辐射环境在不同的年份、不同地区有很大的差别。因此选择器件的抗总剂量辐射的固有能力与实际承受的辐射总剂量应有一定的裕度，两者之比成为辐射设计裕度（RDM），RDM在2至11之间，根据具体的航天型号总体要求（风险、成本、进度、难度等）而定。

在轨运行时间	要求器件抗总剂量能力
长期（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）

按上表选择长期运行抗总剂量辐射的半导体器件，其抗辐射总剂量的能力应大于100krad（Si），当RDM取2时，则应选RHA为F等级的器件。当所选器件无RHA要求时，应进行辐射总剂量评估试验（RET）以摸清器件的抗总剂量辐射的能力。当选择不到抗总剂量辐射能力的器件时，可参照资料的要求，对器件进行屏蔽，以保证其在电离总剂量辐射环境中稳定可靠地工作。

器件抗单粒子翻转（SEU）的能力以现行能量传递（LET）表示，当器件发生单粒子翻转时的最小LET成为现行能量传递阀值LETTh（及SEU敏感度），LET及LETTh的量纲均为MEV·cm²／Mg。器件SEU的敏感度主要取决于器件敏感单元的集合尺寸、版图结构和工艺，因此对器件SEU敏感度的评估可以利用已有的同一版图结构和同一工艺器件的试验数据或分析结果。

对于单粒子引起的翻转，敏感度由低到高的顺序可以排列为：CMOS／SOI，CMOS／SOS，体硅COMS，NMOS，I²L，TTL。为避免单粒子引起的锁定，推荐使用CMOS／SOI，CMOS／SOS或外延COMS工艺器件，CMOS／SOI，CMOS／SOS工艺器件不存在锁定问题，外延CMOS器件单粒子锁定的阀值一般较高，但在具体应用时，应对其锁定阀值进行评估。器件的单粒子敏感度与器件的使用条件有关，一把情况下，电源电压、温度和累积剂量的升高会影响器件的单粒子敏感度，在系统设计时应予以考虑。适当增加屏蔽层厚度可对空间低能粒子起到一定的屏蔽作用，但对高能重离子和高能质子的屏蔽效果不明显。

附件：辐射加固保证（RHA）等级