CN109657370A - 航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，该方法包括故障物理分析、建立空间辐射相关故障信息矩阵并分类收集所述物理模型的参数、单粒子效应仿真、总剂量效应仿真、位移损伤效应仿真、以及考虑空间故障机理间的相互关系，分析单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应单独作用下的被测器件仿真寿命，获得被测器件在空间辐射环境效应共同作用下的失效寿命。本发明是从故障机理的角度，针对航天电子产品空间辐射相关的可靠性展开研究，提出一套基于仿真分析的评估航天电子产品空间辐射可靠性的方法，使设计者能够在设计阶段就对产品的空间辐射可靠性水平直观了解，从而为产品的设计改进提供参考依据。

Description

航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法

技术领域

本发明提供一套基于仿真的，评估航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法(Space Radiation Reliability,SRR)，属于航天电子产品可靠性分析领域。

背景技术

近年来，我国一系列高精尖复杂设备不断问世，重大项目不断突破，空间站建设有条不紊，登月计划枕戈待发。所有的一切均要求高可靠的电子元器件，由于航天器组成结构复杂，根据可靠性分配理论，在系统可靠度不变的情况下，系统包含的元器件越多，要求单个器件的可靠性就越高。空天航空器组成结构复杂，要保证这些大型高精尖设备的正常运行，需要严格保证其可靠度要求。那么对这些设备的可靠性评估势在必行。

空间环境比较复杂，除了地面环境常见的热、振和电应力环境外，还要遭受严酷的空间环境。因此，空间环境成为了诱导航天器在轨故障的主要因素之一。对我国早期6颗地球静止轨道卫星的故障原因进行统计分析发现，由空间环境引起的故障占总故障的比例达到40％，而其中的空间辐射环境则是空间环境诱导故障中的主要环境因素。这就要求我国航天科技工作者加强对空间辐射环境与效应的研究，将空间辐射环境工程纳入航天器任务设计、轨道选择、结构布局、材料与器件的选择、航天器在轨故障分析以及空间预报警等各个环节，以提高航天器的在轨可靠性与寿命。而要实现以上目标，首先就要研究空间环境下的常见故障机理对于航天器元器件的寿命影响。

电子产品在空间辐射环境下会出现空间特有的故障机理，参考国内外大量文献，空间环境下对航天器材料和器件所产生的常见故障机理包括单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应。针对以上三种故障机理，国内外开展了相应的空间故障物理方面研究。航天电子装置的空间辐射的研究虽逐步受到重视，但目前常见的航天电子产品的可靠性评估还是主要依赖于统计数据。由于产品更新换代很快，统计数据极度缺乏，造成空间电子产品的可靠性评估不准确的问题，更无法定位发生故障部分的故障机理，从而造成了设计改进无针对性等问题。通过调研发现，国内外尚没有针对航天电子产品的空间辐射进行基于故障物理的可靠性评估的方法的报道。

发明内容

针对现有技术无法明确给出作为电子装置的空间辐射可靠度评价的问题，本发明的目的在于提供一套针对一种航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，具体地，从探究器件故障机理的角度出发，基于空间粒子辐射仿真技术及蒙特卡罗方法，与现有空间辐射环境模型相结合，获得航天电子装置空间辐射损伤的可靠性指标，以求直观把握产品的空间辐射可靠性水平，为产品针对空间辐射环境的设计及优化提供参考依据。

本发明公开一种航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，该方法包括以下步骤：

S1、故障物理分析，确定所研究对象的空间辐射故障机理，选择对应的三种故障物理模型；对于单粒子效应选择LET模型，对于总剂量效应选择阈值电压漂移模型，对于位移损伤效应选择NIEL模型；

S2、综合故障机理和故障物理模型信息，建立空间辐射相关故障信息矩阵，分类收集所述物理模型的参数；并且根据三种故障物理模型的不同，分别执行步骤S3、S4或者S5；

S3、根据步骤S1中的单粒子效应的LET模型，选择仿真软件，建立单粒子效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在单粒子效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；

S4、根据步骤S1中的总剂量效应的阈值电压漂移模型，选择仿真软件，建立总剂量效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在总剂量效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；

S5、根据步骤S1中的位移损伤效应的NIEL模型，选择仿真软件，建立位移损伤效应模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在位移损伤效应单独作用下的失效寿命，以及

S6、考虑空间故障机理间的相互关系，分析单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应单独作用下的被测器件仿真寿命，获得被测器件在空间辐射环境效应共同作用下的失效寿命。

优选地，步骤S3具体包括以下步骤：

S31、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定单粒子效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；S32、选择利用Geant4软件中的Bertini核内级联模型和Geant4预复合模型针对引发元器件单粒子效应的主要入射粒子建立仿真模型；S33、选择利用Space Radiation软件针对单粒子效应故障物理模型的未知输入变量进行仿真，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。

优选地，步骤S4具体包括以下步骤：

S41、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定总剂量效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；

S42、选择利用Silvaco的TCAD仿真软件直接建立仿真模型，获得电路模块在该效应作用下的总剂量效应故障物理模型输出参数，从而获得失效寿命；

S43、选择利用阿斯特里姆公司的SYSTEMA空间环境及效应数值模拟分析软件，将其Dosrad模块和Earthrad模块相结合，针对总剂量效应故障物理模型的未知输入变量进行仿真，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。

优选地，步骤S5具体包括以下步骤：

S51、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定位移损伤效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；

S52、选择利用蒙特卡罗仿真软件SAVANT工具直接建立仿真模型，获得电路模块在该效应作用下的位移损伤效应故障物理模型输出参数，即阈值电压漂量；

S53、选择利用SHIELD程序或Geant4程序加入按粒子的能谱分布随机抽样而成的入射粒子能谱功能模块和考虑粒子在材料中产生的反冲核动能的NIEL计算模块，针对位移损伤效应故障物理模型的未知输入变量，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。

优选地，步骤S1中调研获得的三种主要空间辐射环境效应为作用于航天电子产品电路模块的空间辐射环境效应。

优选地，所述步骤S2中位移损伤效应的故障物理模型是由位移损伤剂量法获得的模型形式。

优选地，所述步骤S33中单粒子效应故障物理模型的未知输入变量为线性能量传递值LET。

优选地，所述步骤S43中总剂量效应故障物理模型的未知输入变量为辐射剂量率。

优选地，所述步骤S53中位移损伤效应故障物理模型的未知输入变量为非电离能损NIEL，所述步骤S53中利用SHIELD程序或Geant4程序进行位移损伤效应仿真。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过将故障物理与空间辐射问题相结合，从物理、化学等微观层面去研究空间辐射所导致的故障发生的根本原因及空间粒子的作用，有助于深入理解空间辐射环境效应的作用机制。进一步来说，除对空间辐射故障有了定性把握之外，本文还给出了描述相关机理的故障物理模型，并挖掘模型中包括电磁应力在内的各空间粒子物理参数的意义及分散性，充分考虑结构、材料、工艺等特征参数对故障发生造成的不确定性影响，这就给出了空间辐射故障的定量描述。

2、本文给出了一套空间辐射环境效应相关的仿真分析思路，从故障物理模型的建立到模型参数的选择的设置，再到仿真软件的仿真，最后仿真求解的全过程，获得各种空间辐射性能信息。

3、目前常见的空间辐射评估，往往是通过仿真或测试等方法找到故障发生位置，无法明确给出可靠性指标值，而该指标能够为产品的空间辐射设计及优化提供极为重要的参考。因此，本文提出了一套计算空间辐射可靠性指标的方法，此法结合了空间粒子效应仿真技术，并将失效物理方法融入到空间辐射环境效应分析中，建立了空间辐射环境效应与可靠性指标间的直接关系，为直观把握产品的空间辐射可靠度水平提供方法，为产品的设计改进提供参考依据。

附图说明

图1为航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法流程图；

图2为单粒子效应电源电流增量仿真结果示意图；

图3为总剂量效应仿真分析流程图；以及

图4为Dosrad模块分析程序示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明以航天电子产品电路模块作为空间辐射可靠性评估对象，航天电子产品电路模块中受到空间辐射影响的主要元器件包括硅电池、光学探头组件、逻辑器件、单/双稳态器件、CMOS器件、功率MOSFET、表面包覆材料或涂层、内部介质材料或器件等。

针对电路模块的空间辐射可靠性评估方法主要包括确定电路模块的主故障机理及其对应的故障物理模型、明确未知参数类型、根据模型要求收集被仿真器件及工作环境信息、选择可基于故障物理模型进行仿真的仿真软件、选择可对故障物理模型中待仿真输入参数进行仿真的软件。

如图1的空间辐射可靠性评估方法流程图所示，本发明的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，包括以下步骤：

S1、故障物理分析，包括确定所研究对象的故障机理及其对应的故障物理模型。

通过调研与空间辐射相关的故障机理，在物理、化学等微观层面对空间辐射故障发生的根本原因及空间粒子所造成的电应力的作用进行研究，明确航天电子装置的各组成元器件在空间环境中主要的故障机理，也即主要的空间辐射环境效应，以及对应的故障物理模型，包括：

1.单粒子效应及其故障物理模型；

2.总剂量效应及其故障物理模型；

3.位移损伤效应及其故障物理模型。

其中，总剂量效应普遍作用于航天电子产品的各主要元器件及材料中，单粒子效应则以不同的故障机理形式作用于逻辑器件、单/双稳态器件、CMOS器件、功率MOSFET等硅器件中，而位移损伤效应的敏感器件为硅光电池和光学探头组件。

S2、综合故障机理和故障物理模型信息，建立空间辐射相关故障信息矩阵，分类收集所述物理模型的参数；并且根据三种故障物理模型的不同，分别执行步骤S3、S4或者S5。

确定电路模块与空间辐射相关的故障机理及对应的故障物理模型，将故障机理、故障物理模型等信息加以汇总整合，建立起空间辐射相关故障信息矩阵，如表1所示。

表1故障物理模型表

随后明确参数，即根据前述故障物理分析所获得的故障物理模型，分别明确三种空间辐射环境效应的输入及输出参数类型及单位，其中输入参数包括器件的内因参数及环境的外因参数。同时，输入参数还应分为器件属性相关参数、环境相关参数、常数参数及仿真参数。

在明确需要的模型参数类型后针对性地进行参数收集，包括：

1、器件属性相关参数，包括但不限于所研究元器件各组件尺寸、元器件各组件性能参数、元器件各组件材料参数等，具体信息应参看模型要求，参数来源于对电路模块中元器件的测量或查找自元器件相关性能设计标准；

2、工作环境相关参数，包括但不限于轨道高度、入射粒子能量强度、射线相对于芯片表面法线方向的入射角等，具体信息应参看模型要求，参数来源于产品工作环境标准；

3、模型相关的常量参数，包括但不限于电子-空穴对的产生能量、硅的原子质量、电子电荷量等，具体信息应参看模型要求，参数来源于相关标准及文献；

4、待仿真参数，即依据产品工作环境及产品性能、尺寸参数，通过实验或模拟仿真获得的参数。

针对所明确的故障物理模型，为方便接下来的必要信息收集及软件仿真，需要对目前模型中的参数进行分类。经总结，按照空间辐射效应分类如表2，具体变量含义可参照表1。

表1参数分类

S3、单粒子效应仿真，通过S2获得的明确了输入及输出参数类型的空间辐射环境效应的故障物理模型。通过查阅相关文献，确定可进行单粒子效应的空间失效仿真的蒙特卡罗仿真软件Geant4软件，针对引发元器件单粒子效应的主要入射粒子——100MeV以上的超高能质子、中子，以及14MeV左右的中子，分别应用Geant4中的Bertini核内级联模型和Geant4预复合模型建立仿真模型，获得电路模块在该效应作用下的单粒子效应故障物理模型输出参数，即漂移产生的瞬态收集电荷。

此外，针对单粒子效应的未知输入变量——线性能量传递值LET，运用SpaceRadiation软件进行仿真，并将结果代入故障物理模型获得输出参数，最后与产品相应的设计参数相比较，以获得电路模块在单粒子效应作用下的寿命。

S4、总剂量效应仿真，此步骤仿真方法与S3类似，通过S2获得的空间辐射环境效应的故障物理模型。确定并改进可进行总剂量效应的空间失效仿真的Silvaco的TCAD仿真软件，建立仿真模型，获得电路模块在该效应作用下的总剂量效应故障物理模型输出参数，即失效寿命。

针对总剂量效应的未知输入变量——辐射剂量率，利用阿斯特里姆公司开发的用于航天器空间环境及效应数值模拟分析的软件SYSTEMA仿真，通过将软件SYSTEMA中的Dosrad模块和Earthrad模块相结合的方式进行仿真，并将结果代入故障物理模型获得输出参数，最后与产品相应的设计参数相比较，以获得电路模块在总剂量效应作用下的寿命。

S5、位移损伤效应仿真，此步骤仿真方法与S3类似，通过S2获得的空间辐射环境效应的故障物理模型。确定并改进可进行位移损伤效应的空间失效仿真的蒙特卡罗仿真软件SAVANT工具，建立仿真模型，获得电路模块在该效应作用下的位移损伤效应故障物理模型输出参数，即阈值电压漂量。

针对位移损伤效应的未知输入变量——非电离能损NIEL，利用SHIELD程序或Geant4程序并过加入按粒子的能谱分布随机抽样而成的入射粒子能谱功能模块和考虑粒子在材料中产生的反冲核动能的NIEL计算模块进行仿真，并将结果代入故障物理模型获得输出参数，最后与产品相应的设计参数相比较，以获得电路模块在位移损伤作用下的寿命。

S6，收集整理三种空间辐射环境效应单独作用下的电路模块寿命，考虑空间故障机理间的相互关系，获得电路模块在三种空间辐射环境效应共同作用下的失效寿命。

优选地，其中S1中的故障机理包括单粒子效应、总剂量效应以及位移损伤效应。

优选地，其中S2中所明确的参数为单粒子电荷聚集模型、总剂量效应物理模型、基于位移损伤剂量法的位移损伤效应模型中涉及的参数。

优选地，其中S2中所收集的硬件及工作条件信息包括电路模块电路板的功能、工作环境粒子类型，相关待测元器件的结构、材料、工艺参数等信息。

优选地，其中S3、S4、S5中对于模型最终的输出参数，被研究航天电子装置电子电路模块具有相对应的设计参数。

优选地，其中S6中考虑的空间故障机理间仅存在竞争关系。

综上所述，本发明的技术思路在于：首先从故障物理的角度，研究空间辐射环境效应的作用机制，建立主要效应的故障物理模型，然后给出了空间辐射仿真具体思路，包括对故障物理模型的参数进行分类及依据模型要求进行参数收集，通过合适的蒙特卡罗仿真软件建立模型仿真，其仿真结果将被用于空间辐射可靠性评估。在仿真过程中，提出两种评估空间辐射可靠性的方法：一种针对具有可使用的仿真软件的空间辐射环境效应，直接利用仿真软件中的空间辐射故障物理模型进行建模仿真并输出物理模型结果参数，获得产品的可靠度指标；另一种方法则针对不具有合适仿真软件的空间辐射环境效应，即通过仿真软件针对故障物理模型中的未知输入参数进行建模仿真，并将仿真结果作为输入代入故障物理模型，来获得产品的可靠性指标。最后，综合两种可靠性指标进行空间辐射可靠性评估。

本发明的具体实施例：

以某型航天电子产品为例对本发明的空间辐射可靠性评估方法进行详细描述。

S1：故障物理分析

选择并建立所应用的空间辐射环境效应的故障相关信息矩阵是本方法的第一步，其完整性和准确性直接决定了最后仿真和评估结果的准确性，因此十分关键。

首先，获得航天电子产品中受空间辐射影响的主要元器件及材料包括光学探头组件、硅光电池、逻辑器件、单/双稳态器件、CMOS器件、功率MOSFET、表面包覆材料或涂层、卫星内部介质材料，表3列出主要元器件类型与作用其上的主要辐射效应间的关系。

表2主要器件的空间辐射效应及辐射源

根据表3可知，确定电路模块主要的故障机理包括：单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应。

其中，总剂量效应普遍作用于航天电子产品的各主要元器件及材料中，单粒子效应则以不同的故障机理形式作用于逻辑器件、单/双稳态器件、CMOS器件、功率MOSFET等硅器件中，而位移损伤效应的敏感器件为硅光电池和光学探头组件。

S2、综合故障机理和故障物理模型信息，建立空间辐射相关故障信息矩阵，分类收集所述物理模型的参数；并且根据三种故障物理模型的不同，分别执行步骤S3、S4或者S5。

根据各效应故障物理模型，将模型中涉及参数分为四类，即器件属性相关参数、环境相关参数、常数参数及仿真参数，并明确参数来源：

单粒子效应故障物理模型参数：

1、器件属性相关参数：

ρ为硅的浓度，其值由被仿真器件耗尽层性能设计信息决定，单位为cm^-3；x_d为耗尽层宽度，其值由被仿真器件耗尽层尺寸设计信息决定；L_c为收集长度，单位为mm，其由载流子迁移率决定的常数K、射线相对于芯片表面法线方向的入射角θ和耗尽层宽度x_d共同决定。

2、环境属性相关参数

θ为射线相对于芯片表面法线方向的入射角，其值由被测器件工作环境信息决定；E为入射粒子初始能量，其值由入射粒子的类型及被测器件工作环境信息决定所决定，单位为eV；N_L(x)为载流子线密度，其值由线性能量传递值LET、耗尽层硅的浓度ρ、硅的原子质量m和电子-空穴对的产生能量ε所决定。

3、常量参数

K为载流子迁移率决定的常数，对于n沟和p沟器件，K值分别为3.7和2.0；m为硅的原子质量，其值为28×1.667×10^-27kg；ε为电子-空穴对的产生能量，取3.6eV。

4、未知输入变量参数

LET为线性能量传递值，其值与离子能量和材料属性有关，单位为meV/mg·cm^-2，其具体数值由仿真或实验获得。

总剂量效应故障物理模型参数：

1、器件属性相关参数：

t_ox为栅氧化层厚度，其值由被仿真器件氧化层尺寸设计信息决定，单位为mm；Q_ot为氧化层陷阱电荷数量，其值由被仿真器件氧化层性能设计信息决定；Q_it为界面态陷阱电荷数量，其值由被仿真器件界面态性能设计信息决定；N_t为氧化层内的空穴陷阱浓度，其值由被仿真器件氧化层性能设计信息决定，单位为cm^-3；p_t为被陷阱俘获的空穴浓度，其值由被仿真器件氧化层及界面态性能设计信息决定，单位为cm^-3；σ_pt为空穴俘获截面，其值由被仿真器件氧化层尺寸设计信息决定，单位为cm²；ΔV_ot为氧化层陷阱电荷导致的MOS结构阈值电压漂移量，其值由栅氧化层厚度、电子电量、化层内的空穴陷阱浓度、单位辐射剂量在单位体积氧化层内产生的电子-空穴对数、电场相关的电子-空穴对逃脱复合的几率、栅氧化层介电常数、辐射剂量共同决定，单位为V；ΔV_it为界面态陷阱电荷导致的MOS结构阈值电压的漂移量，其值由栅氧化层厚度、电子电量、栅氧化层介电常数、单位辐射剂量在单位体积氧化层内产生的电子-空穴对数、电场相关的电子-空穴对逃脱复合的几率、辐射剂量共同决定，单位为V。

2、环境属性相关参数：

κ_g为单位辐射剂量在单位体积氧化层内产生的电子-空穴对数，其值由被测器件工作环境信息决定所决定，由研究者自行输入，单位为cm^-3；f_y为与电场相关的电子-空穴对逃脱复合的几率，其值由被测器件工作环境信息决定所决定；f_p为空穴通量，其值由被测器件工作环境信息决定所决定。

3、常量参数

ε_ox为栅氧化层介电常数，其值为3.45×10^-11F/m；q为电子电量，其值为1.602×10^-19C。

4、未知输入变量参数

D＝gt为辐射剂量，单位为rad；g为辐射剂量率，单位为rad/s，其具体数值由仿真或实验获得。

位移损伤效应故障物理模型参数：

1、器件属性相关参数：

P₀为太阳电池初始最大输出功率，其值由被仿真器件工作性能设计信息决定。

2、环境属性相关参数：

为空间粒子的微分能谱分布，其值由被仿真器件工作环境信息决定，具体数值可通过查找空间粒子微分能谱图表获得。

3、常量参数

R_ep为1MeV电子相对于10MeV质子的位移损伤系数；e,p分别代表电子和质子电荷量，其值为m,n为系数，通过实验获得，对于GaAs太阳电池，m＝1，n>＝1；C,D₀为系数，C＝0.135，D₀＝3.52×10⁹。

4、未知输入变量参数

NIEL为非电离能损值，表示带电粒子在入射材料中通过位移损伤在每单位路径内损失能量的物理量，单位为MeV·cm2·g^-1，其具体数值由仿真或实验获得；D_(10MeV,p)为空间带电粒子辐射等效为10MeV质子的等效位移注量，其值主要由非电离能损和空间粒子的微分能谱分布决定。

S3：单粒子效应仿真

按照单粒子效应的不同机理，我们将单粒子效应分为单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子瞬态、单粒子功能中断、单粒子烧毁等。

但以上机理均可以同样的故障物理模型来描述，因此出于简化仿真的考虑，将以上不同机理均归于单粒子效应，其根据步骤二，故障物理模型如下：

L_c＝K·x_d·secθ

由步骤一知，某型航天电子产品中逻辑器件、单/双稳态器件、CMOS器件、功率MOSFET等硅器件均受到单粒子效应影响。鉴于此类器件的单粒子效应仿真过程基本相同，此处以其中某型CMOS器件的单粒子效应仿真过程为例对本步骤做进一步的详细说明：

首先，根据步骤二所列举故障物理模型参数分类及来源，分类整理并确定其参数值如下：

1、器件属性相关参数：

ρ为硅的浓度，根据某型CMOS器件耗尽层性能设计信息，ρ＝5.6×10¹⁴cm^-3；x_d为耗尽层宽度，根据某型CMOS器件耗尽层尺寸设计信息，x_d＝3.09×10^-4cm；L_c为收集长度，L_c＝K·x_d·secθ＝3.7×3.09×10^-4×1＝11.433×10^-4cm＝11.433um；

2、环境属性相关参数

θ为射线相对于芯片表面法线方向的入射角，根据某型CMOS器件工作环境信息，θ＝90°；

E为入射粒子初始能量，根据某型CMOS器件工作环境信息，入射粒子为Bi粒子，E＝100MeV；

N_L(x)为载流子线密度，其值由线性能量传递值LET、耗尽层硅的浓度ρ、硅的原子质量m和电子-空穴对的产生能量ε所决定

3、常量参数

K为载流子迁移率决定的常数，对于n沟和p沟器件，K值分别为3.7和2.0；

m为硅的原子质量，其值为28×1.667×10^-27kg；

ε为电子-空穴对的产生能量，取3.6eV。

4、未知输入变量参数

LET为线性能量传递值，其值与离子能量和材料属性有关，单位为meV/mg·cm^-2，其具体数值由仿真或实验获得，

在确定各参数数值后，针对单粒子效应故障物理模型进行仿真，由于单粒子效应在空间辐射环境效应中属于比较简单的一种效应，因此绝大多数空间仿真软件均可对此进行仿真。经调研，欧洲航天局研发的基于蒙特卡罗模拟计算的Geant4软件可以较好地仿真空间中单粒子效应对元器件的影响。

Geant4(Geometry and Tracking Monte Carlo radiation transport code)是由欧洲核子中心主导开发的一套用于Monte Carlo模拟的免费开源程序包。如前所述，引发元器件单粒子效应的主要入射粒子的能量可分为两类，一类是100MeV以上的超高能质子、中子，另一类是14MeV左右的中子。因此，针对这两类入射粒子，分别应用Geant4中的Bertini核内级联模型和Geant4预复合模型进行仿真。

对于本案例中涉及的某型CMOS器件工艺，利用Geant4模拟的过程以几何描述、几何的材料构成、初始及次级粒子描述、初始事件的生成、跟踪粒子穿过物质和电磁场、粒子与物质相互作用的物理过程描述、事件数据的生成、事件数据的保存、探测器和粒子轨迹的可视化、获取和分析模拟数据结果的顺序进行。

其中，在进行初始及次级粒子描述时，针对垂直入射的Bi粒子，需获知入射粒子的能损特性，即未知输入变量参数线性能量传递值LET，对LET值的仿真可利用SpaceRadiation软件，此软件可计算卫星轨道的空间辐射粒子成分、粒子能谱和重离子LET谱等参数，也可以计算在考虑屏蔽材料与屏蔽厚度下的辐射粒子能谱、重离子LET谱、辐射剂量等。经Space Radiation软件仿真获得Bi粒子的入射粒子特性如表4：

表3 Bi粒子的入射粒子特性

粒子种类	LET值(MeV.cm2/mg)	入射径迹长度(微米)	入射半径长度(微米)
				Bi	91.2	30.22	0.8785

由此可获得单粒子效应故障物理模型所有输入参数，通过Geant4软件获得在粒子LET＝91.2MeV/mg/cm2条件下入射不同位置，CMOS单元的电源电流增加量如图2所示，图中为粒子入射后源级电源和漏极电源各测点电流值随时间的变化趋势，其中漏极电源上测点的电流变化明显远高于源级电源，可见此类LET＝91.2MeV/mg/cm2的粒子的入射对漏极电源更大，更易受单粒子效应的影响。

同时，最终获得单粒子效应下元器件漂移产生的瞬态收集电荷：

并与元器件设计的漂移产生的瞬态收集电荷阈值作比，获得元器件故障寿命。

S4：总剂量效应仿真

根据步骤二，总剂量效应故障物理模型如下：

令ΔV_th＝ΔV_ot+ΔV_it

ΔV_ot＝-t_oxQ_ot/ε_ox

ΔV_it＝-t_oxQ_it/ε_ox

Q_ot＝qΔN_ot

Q_it＝qΔN_it

(较低辐射剂量时σ_ptκ_gf_yt_oxD＜0.5)

(辐射剂量非常大时)

(较低辐射剂量时D/D_c<<1)

总剂量效应普遍作用于航天电子产品的各主要元器件及材料中，针对总剂量效应仿真，以航天电子产品中某型N沟道增强型MOSFET为例对本步骤做进一步的详细说明：

首先，根据步骤二所列举故障物理模型参数分类及来源，分类整理并确定其参数值如下：

1、器件属性相关参数：

t_ox为栅氧化层厚度，根据某型N沟道增强型MOSFET器件氧化层尺寸设计信息，t_OX＝2×10^-8m；

Q_ot为氧化层陷阱电荷数量，其值某型N沟道增强型MOSFET器件氧化层性能设计信息决定，Q_ot＝qΔN_ot；

Q_it为界面态陷阱电荷数量，其值由某型N沟道增强型MOSFET器件界面态性能设计信息决定，Q_it＝qΔN_it；

N_t为氧化层内的空穴陷阱浓度，其值由某型N沟道增强型MOSFET器件氧化层性能设计信息决定，单位为cm^-3；

p_t为被陷阱俘获的空穴浓度，其值由某型N沟道增强型MOSFET器件氧化层及界面态性能设计信息决定，单位为cm^-3；

σ_pt为空穴俘获截面，根据某型N沟道增强型MOSFET器件氧化层尺寸设计信息，σ_pt＝4.0×10^-13cm²；

2、环境属性相关参数：

κ_g为单位辐射剂量在单位体积氧化层内产生的电子-空穴对数，根据某型N沟道增强型MOSFET器件工作环境信息，κ_g＝8.0×10¹²cm^-3；

f_y为与电场相关的电子-空穴对逃脱复合的几率，其值由某型N沟道增强型MOSFET器件工作环境信息决定所决定；

f_p为空穴通量，其值由某型N沟道增强型MOSFET器件工作环境信息决定所决定。

3、常量参数

ε_ox为栅氧化层介电常数，其值为3.45×10^-11F/m；q为电子电量，其值为1.602×10^-19C。

4、未知输入变量参数

D＝gt为辐射剂量，单位为rad；g为辐射剂量率，单位为rad/s，其具体数值由仿真或实验获得。

将以上数据代入总剂量效应物理模型中可获得：

ΔV_ot＝D^0.998

ΔV_it＝0.8455(1-e^-0.00621D)

确定各参数数值后可针对总剂量效应故障物理模型进行仿真，与单粒子效应类似，总剂量效应在空间辐射环境效应中也属于比较简单的一种效应，因除步骤二中应用的Geant4程序包外，Silvaco的TCAD仿真软件同样可进行总剂量效应仿真。

TCAD可以仿真半导体器件的电学、光学和热学行为，分析二维或三维器件的直流、交流和时域响应以及光电、电光转换等特性，研究器件在电路中的行为，分析离子注入、扩散、氧化、刻蚀、淀积、光刻、外延、抛光和硅化物等工艺和工艺变动对器件特性的影响。Silvaco TCAD功能全面、易学易用，运算速度快，具有丰富的扩展功能，可有效应用于半导体器件的结构设计和工艺设计。其具体仿真流程如图3。

除针对总剂量效应故障物理模型直接进行蒙特卡罗仿真外，也可针对其未知输入变量参数，即辐射剂量率g进行仿真，根据某型N沟道增强型MOSFET器件阈值电压漂移量为2V，则：

ΔV_T＝0.8455(1-e^-0.00621D)+D^0.998＝2V

可获得某型N沟道增强型MOSFET器件的阈值辐射剂量，将仿真的辐射剂量率结果代入阈值辐射剂量中，可得寿命t。

针对辐射剂量率值的仿真利用Space Radiation软件。此外，由阿斯特里姆公司开发的用于航天器空间环境及效应数值模拟分析的软件SYSTEMA同样可针对空间粒子的辐射剂量率进行仿真，其Dosrad模块是一个三维分析工具，其分析程序如图4，主要用于模拟航天器暴露外空间时，经受各种地磁场俘获的高能电子、质子、太阳光子对航天器的交互作用以及对材料上的沉积剂量，通过与软件中的Earthrad模块相结合，可用于对系统级别和部件设计级别的电子设备接收到的总辐射剂量，以及允许接受剂量情况下防护层厚度进行评估。

S5：位移损伤效应仿真

对位移效应比较敏感的电子器件主要是光电器件，在本案例中为电路模块的硅光电池、光学探头组件等。针对位移损伤效应仿真，以硅光电池为例，硅光电池在地球辐射带捕获电子、太阳耀斑质子轰击下，通过位移效应产生辐射损伤，导致电池短路电流和开路电压下降，电池输出功率降低。

根据步骤二，位移损伤效应故障物理模型如下：

对于单位质量原子：D_W＝Φ(E)×NIEL(E)

对于连续粒子辐射能谱：

首先，根据步骤二所列举故障物理模型参数分类及来源，分类整理并确定其参数值如下：

1、器件属性相关参数：

P₀为电池初始最大输出功率，根据硅光电池工作性能设计信息，P₀＝100W。

2、环境属性相关参数：

为空间粒子的微分能谱分布，其值由硅光电池工作环境信息决定，具体数值可通过查找空间粒子微分能谱图表获得。

3、常量参数

R_ep为1MeV电子相对于10MeV质子的位移损伤系数，其值为5.2；

e,p分别代表电子和质子电荷量，其值为

m,n为系数，通过实验拟合获得，对于GaAs电池，m＝1，n＝1.7；

C,D₀为系数，C＝0.135，D₀＝3.52×10⁹。

4、未知输入变量参数

NIEL为非电离能损值，表示带电粒子在入射材料中通过位移损伤在每单位路径内损失能量的物理量，单位为MeV·cm2·g^-1，其具体数值由仿真或实验获得；

D_W(10MeV,p)为空间带电粒子辐射等效为10MeV质子的等效位移注量，其值主要由非电离能损和空间粒子的微分能谱分布决定。

在确定各参数数值后可针对位移损伤效应故障物理模型进行仿真，位移损伤效应是空间辐射环境效应中比较复杂的一种效应，通常会伴随着总剂量效应或者单粒子效应的产生。而在空间辐射效应仿真模拟工具中，位移损伤的数值仿真开发是最少的，主要为NASA格林研究中心开放的SAVANT工具和美国海军实验室的SCREAM工具。而由于SCREAM工具尚不适用于硅光电池，故对位移损伤的数值仿真以SAVANT工具为主。

SAVANT是基于位移损伤剂量模型的太阳电池阵验证分析工具，其包含的模型有俘获粒子环境、太阳电池防护、几何结构和类型、入射注量衰减、位移损伤剂量等。防护材料和厚度、轨道参数、寿命和电池类型等都可在程序中设置。

除针对位移损伤效应故障物理模型直接进行蒙特卡罗仿真外，也可针对其未知输入变量参数，即非电离能损LET进行仿真，目的在于获得空间带电粒子辐射等效为10MeV质子的等效位移注量，根据硅光电池设计阈值功率为70W，则可得性能退化规律曲线公式：

获得总位移损伤剂量阈值D_W＝2.896×10¹⁰。通过对LET进行仿真，可由故障物理模型获得空间带电粒子辐射等效为10MeV质子的等效位移注量，则由式：

可得硅光电池故障寿命TF。

目前国际上对不同空间粒子在典型半导体材料中沉积的非电离能损，采用解析和蒙特卡罗模拟的方法开展了大量的分析和计算，由于空间中的电子比较容易被屏蔽，所以空间质子是产生非电离能损的主要来源。针对非电离能损的仿真，法国宇航局专门开发了计算不同粒子在各种材料中沉积非电离能损的计算软件NEMO(Niel Evaluation Model ofONERA)，该软件对高能粒子采用蒙特卡罗模拟软件Geant4，可以更好地模拟非弹性散射过程中粒子传递给材料的非电离能损。

同时，通过对Geant4的初次开发，考虑NIEL产生是与非电离过程中产生的反冲核相关，因此可找到并追踪反冲核，记录此反冲核再次产生得反冲核动能，以反复级联的方式可获得各个过程中反冲核的动能，以此可知产生反冲核作用过程的损伤截面，从而可获得NIEL的结果。此外，通过对SHIELD程序的二次开发同样可针对NIEL进行仿真。SHIELD原程序只能模拟单能粒子在物质中的运输，对粒子能谱无法进行模型，通过加入按粒子的能谱分布随机抽样而成的入射粒子能谱功能模块和考虑粒子在材料中产生的反冲核动能的NIEL计算模块，亦可对NIEL进行模拟。

S6、考虑空间故障机理间的相互关系，分析单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应单独作用下的被测器件仿真寿命，获得被测器件在空间辐射环境效应共同作用下的失效寿命。考虑在空间环境中电子产品往往不仅受到单一空间辐射效应的影响，因此在对真实空间辐射环境下电路模块的可靠性进行评估时应至少考虑前述三种空间辐射环境效应间的彼此关系。前述三种空间辐射环境效应彼此间不存在触发、促进、抑制等关系，可认为前述三种空间辐射环境效应之间仅存在竞争关系，因此，假设在单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应单一作用下的仿真失效寿命分别记为T₁、T₂、T₃，则被测器件在三种空间辐射环境效应下的失效寿命为：

T＝min{T₁,T₂,T₃}

本发明从故障物理的角度，研究空间辐射环境效应的作用机制，并利用仿真技术，结合空间辐射故障物理模型及概率故障物理(PPoF)的方法，建立了空间辐射应力与可靠性指标间的直接关系，提出了评估航天电子产品空间辐射可靠性的方法，为产品的设计改进提供参考依据。

以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、故障物理分析，确定所研究对象的空间辐射故障机理，选择对应的三种故障物理模型；对于单粒子效应选择LET模型，对于总剂量效应选择阈值电压漂移模型，对于位移损伤效应选择NIEL模型；

S2、综合故障机理和故障物理模型信息，建立空间辐射相关故障信息矩阵，分类收集所述物理模型的参数，并且根据三种故障物理模型的不同，分别执行步骤S3、S4或者S5；

S3、根据步骤S1中的单粒子效应的LET模型，选择仿真软件，建立单粒子效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在单粒子效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；

S4、根据步骤S1中的总剂量效应的阈值电压漂移模型，选择仿真软件，建立总剂量效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在总剂量效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；

S5、根据步骤S1中的位移损伤效应的NIEL模型，选择仿真软件，建立位移损伤效应模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在位移损伤效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；

S6、考虑空间故障机理间的相互关系，分析单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应单独作用下的被测器件仿真寿命，获得被测器件在空间辐射环境效应共同作用下的失效寿命。

2.根据权利要求1所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定单粒子效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；

S32、利用Bertini核内级联模型和预复合模型针对引发元器件单粒子效应的主要入射粒子建立仿真模型；

S33、选择利用Space Radiation软件针对单粒子效应故障物理模型的未知输入变量进行仿真，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。

3.根据权利要求1所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

S41、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定总剂量效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；

S42、选择利用Silvaco的TCAD仿真软件建立仿真模型，获得电路模块在该效应作用下的总剂量效应故障物理模型输出参数，从而获得失效寿命；

S43、利用SYSTEMA空间环境及效应数值模拟分析软件，将其Dosrad模块和Earthrad模块相结合，针对总剂量效应故障物理模型的未知输入变量进行仿真，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。

4.根据权利要求1所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定位移损伤效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；

S52、利用SAVANT工具直接建立仿真模型，获得电路模块在该效应作用下的位移损伤效应故障物理模型输出参数，从而获得阈值电压漂量；

S53、选择利用SHIELD程序或Geant4程序加入按粒子的能谱分布随机抽样而成的入射粒子能谱功能模块和考虑粒子在材料中产生的反冲核动能的NIEL计算模块，针对位移损伤效应故障物理模型的未知输入变量，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。

5.根据权利要求1所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，步骤S6中获得的空间辐射环境效应为作用于航天电子产品电路模块的空间辐射环境效应。

6.根据权利要求1所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述位移损伤效应的故障物理模型是由位移损伤剂量法获得的模型形式。

7.根据权利要求2所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S33中单粒子效应故障物理模型的未知输入变量为线性能量传递值LET。

8.根据权利要求3所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S33中总剂量效应故障物理模型的未知输入变量为辐射剂量率。

9.根据权利要求4所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S43中位移损伤效应故障物理模型的未知输入变量为非电离能损NIEL，所述步骤S43中利用SHIELD程序或Geant4程序进行位移损伤效应仿真。