單粒子效應(yīng)對飛行器的影響分析及防護(hù)技術(shù)

1、第38卷第1期STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING V ol.38, No.1 單粒子效應(yīng)對飛行器的影響分析及防護(hù)技術(shù)馮穎1劉忠健2(1 電子工程總體研究所,北京 100854;2 解放軍駐航天二院中心軍代表室,北京100854摘要:闡述了航天飛行器運行過程中面臨的空間環(huán)境條件,分析了高能粒子輻射環(huán)境中的地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽宇宙線對飛行器運行安全的影響;對單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定、單粒子功能中斷、單粒子燒毀事件、單粒子瞬態(tài)脈沖等類型的微電子器件單粒子效應(yīng)失效機理進(jìn)行了分析,提出了提高飛行器抗空間單粒子效應(yīng)的防護(hù)技術(shù),為開展相關(guān)技術(shù)設(shè)計和試驗提供參

2、考。關(guān)鍵詞:單粒子效應(yīng);失效機理分析;設(shè)計防護(hù)措施中圖分類號:V417+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-3919(201101-0026-05Single event effect analysis on the spacecraft and the techniquedesigned in the protectionFeng Ying1 Liu Zhongjian2(1 Electronic engineering total research institute, Beijing 100854, China; 2 The air force of militaryreprese

3、ntative office in the spaceflight second academe, Beijing 100854, ChinaAbstract:This paper introduced the space environment conditions faced by the spacecraft when it is flying, and analyzed the effect to security of flying aircraft from earth radiation belt, Milky Way universal line and the sun uni

4、versal line in the high energy particle radiation environment; we analyzed the type of single particle failure theory of the micro-electricity component parts such as single particle invert, Single particle locking, single particle functional discontinue and single particle instantaneous impulse, et

5、c. The paper pointed the method to improve the protection technique of the spacecraft, and applied a reference for the related technical design and test carried out.Key words: single event effect; failure mechanism analysis; design safeguard1 引言航天飛機、衛(wèi)星等空間飛行器在運行期間,曾多次發(fā)生過由于單粒子效應(yīng)事件而導(dǎo)致電子器件早期失效,縮短了空間飛行器的

6、可靠運行與使用壽命,已引起國內(nèi)外航天科技人員的極大收稿日期:2010-07-06;修回日期:2010-12-10作者簡介:馮穎(1958-,女,高工,研究方向:可靠性與環(huán)境工程技術(shù);(100854北京142信箱30分箱9室.重視。然而發(fā)生故障的產(chǎn)品多為集成電路器件,特別是大規(guī)模集成電路器件發(fā)生故障的概率要高于中小規(guī)模集成電路器件。面對這些問題,我們開展了空間單粒子效應(yīng)對飛行器的影響分析研究,提出了單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計方法,并開展了地面摸底試驗,驗證了單粒子效應(yīng)防護(hù)設(shè)計的有效性。單粒子效應(yīng)是空間高能粒子轟擊微電子器件的敏感節(jié)點,導(dǎo)致微電子器件邏輯功能翻轉(zhuǎn)或器件損壞的事件?？臻g高能粒子輻射主要來源于

7、地球輻射帶、銀河宇宙線和太陽宇宙線。地球輻射帶是磁層中被地球磁場俘獲的高能粒子帶,分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。內(nèi)輻射帶:內(nèi)輻射帶距地面較近,空間范圍在赤道平面上空60010000km 的高度1,緯度邊界約為40°。內(nèi)輻射帶粒子主要成分是質(zhì)子和電子,質(zhì)子能量一般為幾兆電子伏到幾百兆電子伏,通量達(dá)10J/(m 2·s ,此外還有大量的重離子。由于地磁場的不均勻性,在南大西洋地磁弱異常區(qū)下邊界下降到200km 左右,而在東亞地磁強異常區(qū)(我國上空則在1500km 左右。外輻射帶:外輻射帶的空間范圍很大,在赤道平面內(nèi)高度為1000060000km 的高度,緯度邊界為55°70

8、°。外輻射帶粒子的主要成分是低能質(zhì)子和電子,能量低于1MeV ,最大通量達(dá)10J/(m 2·s ,電子具有較高的能量和較大的通量。太陽宇宙線是太陽耀斑爆發(fā)時釋放的高能粒子流,太陽活動對外輻射帶有很大影響,當(dāng)?shù)卮艌鍪艿綌_動時,這時伴隨有大量高能質(zhì)子發(fā)射,所以又稱為質(zhì)子事件,另外還有少量重離子和電子。在太陽耀斑爆發(fā)后的幾十分鐘內(nèi)太陽宇宙射線到達(dá)地球,而其最大通量將在224h 間達(dá)到,并在一星期內(nèi)逐漸消失。銀河宇宙線是來自太陽系外的高能帶電粒子流,構(gòu)成各向同性的較穩(wěn)定的空間粒子輻射背景。2 微電子器件單粒子效應(yīng)及失效機理分析單粒子效應(yīng)導(dǎo)致微電子器件邏輯功能翻轉(zhuǎn)或器件損壞,根據(jù)效應(yīng)

9、機理的不同,可分為單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU 、單粒子鎖定(SEL 、單粒子功能中斷(SEFI 、單粒子燒毀事件(SEB 、單粒子瞬態(tài)脈沖(SET 等類型。2.1 單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU 效應(yīng)及失效機理分析SEU 是發(fā)生在邏輯器件中的一種帶電粒子輻射效應(yīng)。最容易發(fā)生SEU 的是隨機存儲器、只讀存儲器以及微處理器、數(shù)字信號處理器和可編程邏輯器件三種器件中的寄存器組與內(nèi)部存儲單元。發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的故障現(xiàn)象主要是:一旦空間高能粒子射入半導(dǎo)體器件靈敏區(qū),重離子運動徑跡周圍產(chǎn)生的電荷被靈敏電極收集,當(dāng)收集的電荷超過電路狀態(tài)臨界電荷時,電路就會發(fā)生不期望的翻轉(zhuǎn)和邏輯功能混亂,使器件邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn),即原來存儲的“0”變?yōu)?/p>

10、“1”,或者“1”變?yōu)椤?”。這種效應(yīng)不會使邏輯電路損壞,還可以被重新寫入另外一種狀態(tài),因此,常把它稱為軟錯誤,如圖1所示。隨著器件特征尺寸減小、器件集成度增高、工作電壓減小,存儲器件單元發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的臨界電荷會大大減少。在這種情況下,大容量、高密度存儲器件還容易發(fā)生多位翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。圖1 單粒子翻轉(zhuǎn)故障現(xiàn)象示意圖單粒子翻轉(zhuǎn)事件雖然不產(chǎn)生硬件損傷,但它能夠?qū)е滦禽d控制系統(tǒng)的邏輯狀態(tài)混亂(存儲態(tài)翻轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。2.2 單粒子鎖定(SEL效應(yīng)及失效機理分析SEL是發(fā)生于體硅CMOS工藝器件的一種危害性極大的空間輻射效應(yīng)。當(dāng)帶電粒子轟擊CMOS器件,在CMOS電路中2,會在P阱襯底結(jié)中沉積

11、大量電荷,這種瞬時電荷流動所形成的電流,在P阱電阻上產(chǎn)生壓降,會使寄生NPN晶體管的基-射級正偏而導(dǎo)通,造成鎖定事件。如果鎖定故障通過器件的電流過大,則會燒毀器件。對于未采用外延工藝制造的體硅CMOS器件,只要帶電粒子沉積足夠的能量都會發(fā)生不同程度的鎖定效應(yīng)。發(fā)生SEL可能會對飛行器系統(tǒng)造成三方面的危害:一是器件及設(shè)備可能被SEL產(chǎn)生的大電流燒毀,二是設(shè)備上使用的二次電源可能被突然驟增的負(fù)載電流所損壞,三是當(dāng)該器件所用二次電源受SEL影響導(dǎo)致輸出電壓變化后,使用相同二次電源的其它設(shè)備工作可能將受到影響。2.3 單粒子功能中止(SEFI效應(yīng)及失效機理分析SEFI是數(shù)字邏輯器件在單個帶電粒子的轟擊

12、下喪失原有功能的效應(yīng)。該效應(yīng)常發(fā)生在CPU、DSP和可編程邏輯器件中,使器件處在功能失效的狀態(tài),需要重新復(fù)位才能恢復(fù)正常。大規(guī)模集成電路的集成度越來越高,單個晶體管的特征尺寸變得與普通空間宇宙射線產(chǎn)生的電離徑跡量級不相上下,當(dāng)單個重離子撞擊集成電路芯片,所淀積的局部劑量能夠使一個MOS 管溝道長度范圍的硅區(qū)受到損傷,導(dǎo)致位的電狀態(tài)固定不再產(chǎn)生變化。當(dāng)運行編制的程序時,這些固定位已不能被正確讀出。2.4 單粒子瞬態(tài)脈沖(SET效應(yīng)及失效機理分析SET是主要發(fā)生于模擬器件和光電器件的一種空間輻射效應(yīng)。其產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖周期可能有十幾微秒,輸出信號的擺幅可到幾伏;這種瞬態(tài)擾動可能會影響到連接模擬電路或

13、光電器件輸出端的電路,如在其后的數(shù)字電路中留下邏輯誤動作。2.5 單粒子燒毀(SEB效應(yīng)及失效機理分析SEB是主要發(fā)生于功率器件上的一種空間輻射效應(yīng)。在高能粒子的入射下,如果器件的PN 結(jié)處于正偏狀態(tài),則產(chǎn)生電荷聚集效應(yīng);如果PN結(jié)反偏,則沿粒子入射軌跡通過電離效應(yīng)產(chǎn)生大量電子-空穴對,在PN結(jié)內(nèi)部強大的反偏電場作用下,這些電子-空穴對迅速分離,在電場中漂移、加速的過程中,極易產(chǎn)生載流子的雪崩倍增效應(yīng)。從而造成PN結(jié)擊穿引發(fā)單粒子燒毀效應(yīng)。3 單粒子效應(yīng)防護(hù)技術(shù)如何提高飛行器的工作可靠性和運行壽命、加強空間抗單粒子效應(yīng)事件的能力,已是眾所關(guān)注的熱點問題。認(rèn)為應(yīng)從以下幾方面考慮采取設(shè)計防護(hù)措施。

14、3.1 從器件選用上進(jìn)行防護(hù)設(shè)計31對于單粒子引起的翻轉(zhuǎn):盡量選用敏感度低的器件。其敏感度由低到高的順序可以排列為:CMOS/SOI、CMOS/SOS、體硅CMOS、NMOS、I2L、TTL;2對于單粒子引起的鎖定:推薦采用CMOS/SOI、CMOS/SOS或外延CMOS工藝器件;由于CMOS/SOS和CMOS/SOI工藝器件不存在寄生可控硅結(jié)構(gòu),因而不存在發(fā)生單粒子鎖定效應(yīng)的問題,而外延CMOS器件具體應(yīng)用時,應(yīng)對其鎖定閾值進(jìn)行評估;3對于關(guān)鍵電路:關(guān)鍵部位盡量選用 SEU 加固器件。但是對加固器件來說成本價比較高,所以在選用加固器件時應(yīng)根據(jù)我們設(shè)計任務(wù)的需求來選用;4由于動態(tài)隨機存儲器的S

15、EU率普遍較高,航天應(yīng)用中一般不選擇動態(tài)隨機存儲器。對于只讀存儲器,優(yōu)先選擇PROM,而不選擇EPROM,以防止空間粒子輻射導(dǎo)致誤擦除,也可選擇EEPROM;5全陶瓷封裝的蓋板材料有可能發(fā)出射線,從而導(dǎo)致存儲器的單粒子翻轉(zhuǎn),因此存儲器應(yīng)盡量選擇金屬蓋封裝。3.2 電路防護(hù)設(shè)計方法1采用看門狗?？撮T狗計時器可以硬件、軟件方式或二者組合的方式來執(zhí)行?？梢灾鲃踊虮粍臃绞皆O(shè)計。主動方式是器件A每秒一次發(fā)出脈沖給器件B,如果器件A沒有在規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)出這一脈沖,器件B就會顯示“超時”,則觸發(fā)恢復(fù)操作(復(fù)位脈沖、斷電、向地面發(fā)出遙測信息,將飛行器轉(zhuǎn)入安全模式等。被動方式是在飛行器正常操作時,每數(shù)小時接收一

16、次地面站的上行信息,如果數(shù)小時內(nèi)未收到上行信息,飛行器則觸發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān),進(jìn)入預(yù)先設(shè)計的保護(hù)方式;2冗余設(shè)計。冗余設(shè)計是產(chǎn)品獲得高可靠性、高安全性、高生存能力的設(shè)計方法之一,特別是當(dāng)基礎(chǔ)元器件或零部件質(zhì)量與可靠性水平比較低、采用一般設(shè)計已無法滿足設(shè)備的任務(wù)可靠性要求時,采用冗余設(shè)計。采用冗余設(shè)計,可以提高任務(wù)可靠性,但采用冗余設(shè)計會使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。因此,設(shè)計時在保證產(chǎn)品性能要求(包括外形尺寸、重量的情況下,對發(fā)生故障比較高的器件和對關(guān)鍵電路采用冗余設(shè)計。冗余設(shè)計盡可能在較低層次上進(jìn)行;3降額設(shè)計。降額設(shè)計是降低元器件故障率的有效方法,因為在所施加的工作應(yīng)力低于規(guī)定的額定值時,大多數(shù)元器件故障率都

17、有顯著的下降。因此,在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)降低元器件承受的應(yīng)力,降額參數(shù)包括功率、電壓、電流、頻率、結(jié)溫、環(huán)境溫度等。一般元器件降額一般分為三級,即I級降額、II級降額和III級降額。I級降額是最大的降額。對空間飛行器來說器件最好為I級降額。軟件是SEU防護(hù)設(shè)計的主要途徑,已被廣泛應(yīng)用,并取得有效成果。一般采取以下幾種方法1存儲器類器件防護(hù)設(shè)計技術(shù):操作系統(tǒng)的內(nèi)核及預(yù)期不再更改的程序放在ROM區(qū);與有效載荷安全以及飛行成敗有關(guān)的程序和數(shù)據(jù)放在ROM區(qū);可編程器件的初始化程序及系統(tǒng)中斷向量需要駐留在ROM區(qū);2采用看門狗技術(shù)?？撮T狗技術(shù)在飛行器計算機保護(hù)系統(tǒng)上是比較常用的。它主要是對特定系統(tǒng)的工作信號進(jìn)

18、行監(jiān)視,在產(chǎn)生該工作信號的時間超過限定值或工作信號的電流或數(shù)據(jù)特性超過限制,就認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)故障,而進(jìn)入預(yù)先設(shè)計的保護(hù)方式,進(jìn)行特別處理試圖把系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常工作模式,它是保證在出現(xiàn)故障時仍能滿足系統(tǒng)的響應(yīng)要求的一種手段;3EDAC技術(shù):EDAC技術(shù)是防止單粒子翻轉(zhuǎn)的有效技術(shù)。常用的方法有奇偶校驗碼(該方法只能檢測錯誤,不能校正錯誤、海明碼(可檢測兩位錯誤,并校正一位錯誤、R-S碼(能夠檢測和校正數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的多位和連續(xù)錯誤;4三模冗余技術(shù):將重要數(shù)據(jù)存放在存儲器內(nèi)三個不同的物理區(qū)域位置,應(yīng)用時從三處取出,按照三取二比對/刷新原則處理,也可以削除SEU造成的瞬時錯誤。一般對CMOS器件設(shè)計都是在I/O端口邊界進(jìn)行保護(hù)和箝位電路來防止常規(guī)電路應(yīng)用中出現(xiàn)鎖定故障。但是在空間輻射環(huán)境中,發(fā)生鎖定故障的瞬態(tài)脈沖信號不再局限于I/O端口,即重離子或質(zhì)子電流脈沖觸發(fā)的鎖定不僅發(fā)生在I/O端口,還可能發(fā)生在CM