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

半導體器件的故障率

“浴缸曲線”通常用于圖示半導體器件的使用壽命。這一曲線呈現(xiàn)了故障率與時間的關(guān)系，其中包括一個初始的高故障率階段，稱為“初生故障期”。在精心確定的應力條件下對器件和模塊進行測試，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?？煽啃詼y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故障會影響曲線的平坦部分。雖然這種機制是隨機的，但其對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)境進行預測。

用于估算故障率的一個常用指標是“每億小時故障數(shù)”(FIT)。這表示在十億小時的器件運行中可以預期的故障數(shù)量。數(shù)學表達式如下：

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

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偏轉(zhuǎn)，但那些進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。

撞擊半導體器件的次級粒子將其能量傳遞給器件，產(chǎn)生電子-空穴(e-h)對，生成深度取決于粒子的能量、質(zhì)量和材料密度。這些e-h對的密度取決于多個因素，包括電離能、原子鍵強度、電場在各種器件界面和體內(nèi)的軌跡、缺陷形成等。中子對電子元件構(gòu)成最大威脅，因為它們相對較重，具有較大的俘獲截面，并且穿透能力強。

故障模式的一個例子是“單事件燒毀”(SEB)。電離軌跡和e-h對的形成會在阻斷模式下的器件中產(chǎn)生高電場區(qū)域和影響電離，可能形成導電絲，導致器件結(jié)短路。在MOSFET中，寄生雙極器件可能被激活，導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。輻射損傷會對正常FIT率造成加速效應。圖1展示了在低頻工作模式下二極管的加速因子的一個例子。

溫度

器件的結(jié)溫取決于熱阻、冷卻條件、導通狀態(tài)占空比以及在導通狀態(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險的器件時確保足夠的電壓保護帶。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1中的證據(jù)補充了電壓效應的相關(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)的故障率測量是復雜的。Kabza等人1的研究質(zhì)性地顯示了這一效應的明確證據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)，在地球表面以下140米的鹽礦中承受應力的二極管沒有發(fā)生故障，而實驗室中的二極管卻隨時間快速增加故障。參考文獻2中的數(shù)據(jù)用于繪制圖4所示的海拔加速因子。

海拔效應的一個例子是，一套在海平面運行的系統(tǒng)與在海拔3870米的玻利維亞拉巴斯運行的系統(tǒng)的相對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，以確保器件在其預期壽命內(nèi)的可靠性。

風險降低

通常用于降低宇宙輻射引起的故障風險的方法包括為器件的電流承載能力進行過度設計，以減少溫度波動。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，較大的芯片會導致FIT率線性增加。封裝和接觸結(jié)構(gòu)也發(fā)揮作用。

符合軍用標準的JANTXV密封封裝，其加速質(zhì)量因子(見圖1)將低于標準塑料封裝。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險。類似地，使用金(Au)線雖然成本更高，但可以緩解因熱循環(huán)導致的線材折斷風險。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。在一個非移動、溫度和濕度可控的環(huán)境中，環(huán)境加速因子將遠低于移動系統(tǒng)。所有風險因素的綜合考慮是必要的，并需選擇最佳折中方案，以滿足應用的使用壽命需求。