能量粒子以多種方式影響半導(dǎo)體芯片，例如存儲(chǔ)器、處理器以及模擬和電源設(shè)備。器件的故障率取決于其所暴露的輻射量，這不僅是空間應(yīng)用中至關(guān)重要的因素，在地面電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中也同樣重要。本文討論了宇宙輻射對(duì)宇宙設(shè)備故障率的主要影響因素。

半導(dǎo)體器件的故障率

“浴缸曲線”通常用于圖示半導(dǎo)體器件的使用壽命。這一曲線呈現(xiàn)了故障率與時(shí)間的關(guān)系，其中包括一個(gè)初始的高故障率階段，稱為“初生故障期”。在精心確定的應(yīng)力條件下對(duì)器件和模塊進(jìn)行測(cè)試，可以篩選出在這一部分浴缸曲線中容易發(fā)生故障的器件。緊接著初生故障期的低平部分是器件的正常使用壽命，之后故障率因器件的老化而增加。可靠性測(cè)試有助于確定器件在磨損期之前的有效使用壽命。由于宇宙輻射引起的隨機(jī)故障會(huì)影響曲線的平坦部分。雖然這種機(jī)制是隨機(jī)的，但其對(duì)有效使用壽命的影響程度可以根據(jù)器件技術(shù)、工作條件和環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)。

用于估算故障率的一個(gè)常用指標(biāo)是“每?jī)|小時(shí)故障數(shù)”(FIT)。這表示在十億小時(shí)的器件運(yùn)行中可以預(yù)期的故障數(shù)量。數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中，F(xiàn)為測(cè)試期間故障的器件數(shù)量，N為總測(cè)試器件數(shù)量，T為測(cè)試時(shí)間(小時(shí))。

故障率F以百萬分之一(ppm)表示如下：

其中LT為器件的總壽命。

宇宙輻射對(duì)FIT率的影響

高能中子、質(zhì)子、輕核和重核不斷撞擊地球。雖然大部分被地球的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，但那些進(jìn)入我們大氣層的粒子與外層大氣中的原子核發(fā)生碰撞，通過雪崩倍增產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子。能量守恒定律表明，粒子的能量、粒子密度與粒子高度之間存在相關(guān)性。

撞擊半導(dǎo)體器件的次級(jí)粒子將其能量傳遞給器件，產(chǎn)生電子-空穴(e-h)對(duì)，生成深度取決于粒子的能量、質(zhì)量和材料密度。這些e-h對(duì)的密度取決于多個(gè)因素，包括電離能、原子鍵強(qiáng)度、電場(chǎng)在各種器件界面和體內(nèi)的軌跡、缺陷形成等。中子對(duì)電子元件構(gòu)成最大威脅，因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)較重，具有較大的俘獲截面，并且穿透能力強(qiáng)。

故障模式的一個(gè)例子是“單事件燒毀”(SEB)。電離軌跡和e-h對(duì)的形成會(huì)在阻斷模式下的器件中產(chǎn)生高電場(chǎng)區(qū)域和影響電離，可能形成導(dǎo)電絲，導(dǎo)致器件結(jié)短路。在MOSFET中，寄生雙極器件可能被激活，導(dǎo)致雪崩倍增和高局部溫度下的燒毀。

多種因素影響暴露于輻射下的器件的FIT率，包括阻斷電壓、海拔高度、結(jié)溫、芯片面積、關(guān)斷狀態(tài)占空比等。輻射損傷會(huì)對(duì)正常FIT率造成加速效應(yīng)。圖1展示了在低頻工作模式下二極管的加速因子的一個(gè)例子。

溫度

器件的結(jié)溫取決于熱阻、冷卻條件、導(dǎo)通狀態(tài)占空比以及在導(dǎo)通狀態(tài)下的損耗。

圖2展示了溫度加速因子與器件FIT率的關(guān)系圖。

電壓

器件的工作電壓與額定電壓的比率在加速故障(如SEB)中起著重要作用。圖3繪制了這一比率的加速因子。

圖3中展示的二極管的圖示可以根據(jù)器件類型和技術(shù)有所不同。例如，在碳化硅(SiC)器件中，SEB和其他單事件漏電故障的起始電壓比硅(Si)器件要低得多。在SiC器件中，災(zāi)難性的SEB損傷可能在僅為額定電壓三分之一的漏極偏壓下發(fā)生。

這就要求在選擇可能面臨更高輻射風(fēng)險(xiǎn)的器件時(shí)確保足夠的電壓保護(hù)帶。該電壓加速因子在阻斷模式下影響器件，因此從中得到的凈加速因子還取決于器件的關(guān)斷狀態(tài)占空比。參考文獻(xiàn)1中的證據(jù)補(bǔ)充了電壓效應(yīng)的相關(guān)性，表明具有更厚、更高電阻率耗盡區(qū)的二極管在特定應(yīng)力電壓下表現(xiàn)出較低的故障率。

海拔

作為地理海拔高度函數(shù)的故障率測(cè)量是復(fù)雜的。Kabza等人1的研究質(zhì)性地顯示了這一效應(yīng)的明確證據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)，在地球表面以下140米的鹽礦中承受應(yīng)力的二極管沒有發(fā)生故障，而實(shí)驗(yàn)室中的二極管卻隨時(shí)間快速增加故障。參考文獻(xiàn)2中的數(shù)據(jù)用于繪制圖4所示的海拔加速因子。

海拔效應(yīng)的一個(gè)例子是，一套在海平面運(yùn)行的系統(tǒng)與在海拔3870米的玻利維亞拉巴斯運(yùn)行的系統(tǒng)的相對(duì)FIT率。由于海拔，拉巴斯系統(tǒng)的加速因子將增加15，因此需要更大的系統(tǒng)努力，以確保器件在其預(yù)期壽命內(nèi)的可靠性。

風(fēng)險(xiǎn)降低

通常用于降低宇宙輻射引起的故障風(fēng)險(xiǎn)的方法包括為器件的電流承載能力進(jìn)行過度設(shè)計(jì)，以減少溫度波動(dòng)。具有更高阻斷電壓的器件可以顯著降低基于電壓的加速因子。不過，有些措施可能適得其反，例如，較大的芯片會(huì)導(dǎo)致FIT率線性增加。封裝和接觸結(jié)構(gòu)也發(fā)揮作用。

符合軍用標(biāo)準(zhǔn)的JANTXV密封封裝，其加速質(zhì)量因子(見圖1)將低于標(biāo)準(zhǔn)塑料封裝。已知用于引線表面的鍍錫(Sn)處理容易產(chǎn)生鉛絲折斷，而使用鎳-鈀-金(NiPdAu)鍍層等替代品可以降低風(fēng)險(xiǎn)。類似地，使用金(Au)線雖然成本更高，但可以緩解因熱循環(huán)導(dǎo)致的線材折斷風(fēng)險(xiǎn)。器件上的金屬結(jié)合接觸相較于彈簧接觸將降低圖1中列出的接觸結(jié)構(gòu)加速因子。在一個(gè)非移動(dòng)、溫度和濕度可控的環(huán)境中，環(huán)境加速因子將遠(yuǎn)低于移動(dòng)系統(tǒng)。所有風(fēng)險(xiǎn)因素的綜合考慮是必要的，并需選擇最佳折中方案，以滿足應(yīng)用的使用壽命需求。