一、輻射環(huán)境與威脅來源

輻射環(huán)境是導(dǎo)致電子器件性能退化甚至失效的關(guān)鍵外部因素，其空間分布與粒子類型具有顯著差異性，對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景下的芯片可靠性構(gòu)成差異化威脅。深入解析輻射環(huán)境的構(gòu)成與威脅來源，是開展抗輻照設(shè)計(jì)與防護(hù)的前提。

（一）空間輻射環(huán)境

空間輻射主要由銀河宇宙射線（GCR）、太陽高能粒子（SEP）及二者與大氣作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子構(gòu)成，覆蓋從低地球軌道到深空的廣闊區(qū)域，對(duì)航天器電子系統(tǒng)構(gòu)成持續(xù)性、突發(fā)性雙重威脅。

銀河宇宙射線作為太陽系外起源的高能帶電粒子流，成分以輕核為主：質(zhì)子占比約 84%，α 粒子（氦核）占比約 14%，剩余 2% 為碳、氧、鐵等重核（原子序數(shù) Z≥6）。這些粒子經(jīng)超新星爆發(fā)、星際激波等極端天體物理過程加速，能量可達(dá) 102? eV 以上，具備穿透航天器艙體的能力。盡管其通量較低（約 1-10 粒子 /(cm2?s)），但高能量特性使其能直接作用于芯片內(nèi)部，既會(huì)引發(fā)瞬時(shí)單粒子效應(yīng)，也會(huì)通過長(zhǎng)期能量沉積導(dǎo)致總劑量累積損傷。例如，鐵重核在硅材料中可形成高密度電離軌跡，極易觸發(fā)單粒子閂鎖（SEL）等致命故障。

太陽高能粒子是太陽活動(dòng)（太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射）釋放的高能帶電粒子，成分以質(zhì)子為主（占比 > 90%），其次為 α 粒子與少量重核，能量范圍集中在 1 MeV-10 GeV。其顯著特征是通量的強(qiáng)時(shí)間依賴性：太陽活動(dòng)峰年（每 11 年一個(gè)周期）時(shí)，粒子通量較谷年可提升 1-3 個(gè)數(shù)量級(jí)，形成短時(shí)間強(qiáng)輻射脈沖。這種突發(fā)性輻射會(huì)對(duì)航天器電子器件造成 “沖擊式” 損傷，例如 2003 年太陽風(fēng)暴期間，多顆衛(wèi)星因太陽高能粒子引發(fā)的單粒子效應(yīng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、設(shè)備宕機(jī)。

當(dāng)銀河宇宙射線與太陽高能粒子穿透地球大氣層時(shí)，會(huì)與大氣中的氮、氧原子核發(fā)生核反應(yīng)（彈性散射、核裂變等），產(chǎn)生次級(jí)粒子場(chǎng)，包括中子、質(zhì)子、電子及輕核碎片。其中，次級(jí)中子能量覆蓋熱中子（<0.025 eV）至快中子（>1 MeV），雖 LET 值較低，但可通過與硅原子核碰撞產(chǎn)生高 LET 反沖硅核，進(jìn)而誘發(fā)單粒子效應(yīng)。同時(shí)，海拔高度直接影響次級(jí)粒子通量：高空（如 10km 海拔）的次級(jí)中子通量是地面的 100 倍以上，這也是高空航空器電子系統(tǒng)需強(qiáng)化抗輻照設(shè)計(jì)的核心原因。

圖1大氣輻射環(huán)境示意圖

（二）地面輻射環(huán)境

地面輻射環(huán)境強(qiáng)度雖低于空間，但特定場(chǎng)景下的輻射仍會(huì)對(duì)長(zhǎng)壽命、高可靠電子系統(tǒng)（如核電站控制單元、高能物理實(shí)驗(yàn)裝置）構(gòu)成威脅，其主要來源包括核設(shè)施泄漏、封裝材料放射性雜質(zhì)及大氣次級(jí)中子。

核設(shè)施（核電站反應(yīng)堆、核廢料處理廠）在運(yùn)行或退役過程中，會(huì)釋放中子、γ 射線、β 射線等輻射。反應(yīng)堆核心區(qū)域中子通量可達(dá) 101?中子 /(cm2?s)，即便經(jīng)混凝土屏蔽層衰減，泄漏的快中子仍可能對(duì)周邊電子設(shè)備產(chǎn)生影響；γ 射線的強(qiáng)穿透性則會(huì)導(dǎo)致芯片氧化層電荷累積，引發(fā)總劑量效應(yīng)。例如，核電站安全級(jí)控制器若長(zhǎng)期處于 γ 射線輻射下，可能因氧化層正電荷積累導(dǎo)致閾值電壓漂移，進(jìn)而出現(xiàn)控制邏輯延遲。

電子器件封裝材料（陶瓷外殼、粘接劑、焊料）中，可能含微量鈾（U-238）、釷（Th-232）及其衰變子體（鐳 - 226、氡 - 222）。這些雜質(zhì)通過 α 衰變釋放 α 粒子（能量 4-8 MeV），LET 值可達(dá) 10-100 MeV?cm2/mg，可在芯片敏感區(qū)域沉積大量電荷。研究表明，若陶瓷封裝中鈾、釷含量超過 10?12 g/g，存儲(chǔ)芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）錯(cuò)誤率會(huì)上升一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)需要長(zhǎng)期穩(wěn)定存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)備（如核電站數(shù)據(jù)記錄儀）構(gòu)成隱患。

大氣次級(jí)中子是地面環(huán)境誘發(fā)單粒子效應(yīng)的主要因素，其通量約為 10?2-10?中子 /(cm2?s)，能量峰值集中在 1-100 MeV。對(duì)于深亞微米工藝芯片（如 CMOS 節(jié)點(diǎn) < 45 nm），敏感區(qū)域體積縮?。?10?1? cm3）、臨界電荷降低（<10?1? C），即便低通量快中子也可能引發(fā)單粒子瞬態(tài)（SET）—— 錯(cuò)誤脈沖若超過電路時(shí)序容限，會(huì)導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。例如，商用微控制器在地面長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，約 30% 的未知邏輯錯(cuò)誤與大氣中子誘發(fā)的 SET 相關(guān)。

二、損傷核心物理量

輻射對(duì)電子器件的損傷本質(zhì)是粒子在材料中沉積能量并引發(fā)物理化學(xué)變化，線性能量轉(zhuǎn)移（LET）與吸收劑量是定量描述損傷強(qiáng)度的核心物理量，分別對(duì)應(yīng) “瞬時(shí)局部損傷” 與“長(zhǎng)期累積損傷”，二者共同決定器件的輻射響應(yīng)特性。

線性能量轉(zhuǎn)移（Linear Energy Transfer, LET）定義為帶電粒子在單位路徑長(zhǎng)度上向介質(zhì)轉(zhuǎn)移的能量，單位為 MeV?cm2/mg，其值直接反映粒子電離損傷的強(qiáng)度：質(zhì)子LET隨能量上升而下降，低能質(zhì)子損傷更強(qiáng)。

圖2質(zhì)子和電子 LET 值隨粒子能量變化示

吸收劑量（Absorbed Dose）定義為單位質(zhì)量介質(zhì)吸收的輻射能量，單位為拉德（rad）或戈瑞（Gy）（1 Gy=100 rad），是表征總劑量效應(yīng)的核心參數(shù)，直接反映器件累積的能量損傷，其大小與輻射類型、照射時(shí)間、介質(zhì)特性相關(guān)。硅材料中1 Mrad ≈ 101?陷阱/cm3

三、總劑量效應(yīng)：累積性退化

總劑量效應(yīng)是高能粒子長(zhǎng)期照射導(dǎo)致器件材料（核心為 SiO?層）發(fā)生累積性物理化學(xué)變化，進(jìn)而引發(fā)電性能退化的現(xiàn)象，其本質(zhì)是氧化層電荷陷阱與界面態(tài)的形成，對(duì) MOS 器件、功率器件等的性能與壽命構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

損傷過程：高能粒子電離SiO?→產(chǎn)生電子-空穴對(duì)→空穴被深能級(jí)陷阱俘獲。

圖3電離總劑量損傷的主要過程

退化表現(xiàn)：正電荷積累→閾值電壓負(fù)漂、泄漏電流上升。

圖4固定氧化物俘獲電荷對(duì)晶體管轉(zhuǎn)移特

四、單粒子效應(yīng)：瞬時(shí)災(zāi)難

單粒子效應(yīng)（Single Event Effect, SEE）是高能粒子（重離子、快中子）在器件敏感區(qū)域瞬時(shí)沉積大量能量，形成高密度電荷團(tuán)，引發(fā)的突發(fā)性電路故障。與總劑量效應(yīng)的累積性不同，SEE 具有瞬時(shí)性、隨機(jī)性，可能導(dǎo)致邏輯翻轉(zhuǎn)、電流閂鎖甚至器件燒毀，是高輻射環(huán)境電子系統(tǒng)的重大安全隱患。

中子作用機(jī)制：大氣中子轟擊硅原子→核反應(yīng)產(chǎn)生高LET碎片→局部電荷沉積。

圖5單粒子效應(yīng)機(jī)制示意圖

單粒子閂鎖（SEL）：瞬態(tài)電流激活CMOS寄生PNPN結(jié)構(gòu)→正反饋大電流→器件燒毀。

圖6 CMOS 器件可控硅結(jié)構(gòu)

五、解決方案：低成本抗輻照芯片

針對(duì)商業(yè)航天、核電站等高輻射場(chǎng)景的 “高可靠 + 低成本” 需求，抗輻照加固的芯片可以抵御單粒子和總劑量效應(yīng)問題，國(guó)內(nèi)芯片公司國(guó)科安芯推出一系列抗輻照MCU、DCDC電源、CANFD接口等低成本芯片，解決商業(yè)航天、核電站等既有抗輻照高可靠要求又對(duì)成本限制苛刻的矛盾，該系列芯片已經(jīng)通過質(zhì)子試驗(yàn)、總劑量試驗(yàn)、重離子試驗(yàn)等，部分型號(hào)已經(jīng)上天在軌運(yùn)行。

圖7 ASM1042總劑量效應(yīng)試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)結(jié)論：ASM1042S 在受到 150Krad(si)的總劑量照射后，其關(guān)鍵電參數(shù)，包括但不限于閾值電壓、漏電流、電容等，未顯示出超出預(yù)期范圍的變化。此外，在試驗(yàn)過程中，器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)保持穩(wěn)定，無明顯性能退化跡象。

圖8 ASM1042重離子試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)結(jié)論：ASM1042S在LET值為 37MeV·cm2mg-1時(shí)，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。該芯片表現(xiàn)出優(yōu)異的抗單粒子效應(yīng)能力，適用于高輻射環(huán)境。

圖9 ASM1042在軌應(yīng)用證明

審核編輯 黃宇