0 引言

    近年來(lái)，國(guó)防軍事、航空航天領(lǐng)域得到快速發(fā)展，航天器在空間中的活動(dòng)也越來(lái)越頻繁，這些航天器在空間飛行中，一直遭受著空間帶電粒子的輻射，輻射主要包括質(zhì)子、中子、重離子和α粒子^[1]。當(dāng)航天器中應(yīng)用的半導(dǎo)體器件受到這些帶電粒子的輻射，很容易引起單粒子效應(yīng)（Single Event Effect，SEE），造成器件失效。近些年，不僅僅是航天飛行，在民用航空領(lǐng)域疑似因單粒子失效造成的航空事故也頻繁出現(xiàn)，在2003年，思科公司發(fā)布一系列關(guān)于1200系列路由器線卡通知，警告關(guān)于該線卡會(huì)由于單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset，SEU)導(dǎo)致重置^[2]。2008年10月，澳洲航空公司一架空客A330-303飛行在37 000英尺高度，由于飛機(jī)上的電腦受到大氣輻射影響產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致飛機(jī)連續(xù)兩次急速向下傾斜，第一次下降650英尺，第二次下降400英尺，至少110名乘客和9名機(jī)組人員受傷，其中1位飛機(jī)服務(wù)員和11位乘客受到嚴(yán)重傷害^[3]，單粒子效應(yīng)對(duì)航空飛行的可靠性、安全性以及壽命都有著很大的影響，對(duì)航電系統(tǒng)所產(chǎn)生的危害甚至是致命的。

    上述問(wèn)題使得機(jī)載器件單粒子失效成為了航空工業(yè)方和適航當(dāng)局急切關(guān)注的問(wèn)題。研究空間輻射引發(fā)的單粒子效應(yīng)以及對(duì)其采取相應(yīng)的抗輻射加固措施非常有必要。近年來(lái)，國(guó)外對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行了大量的飛行實(shí)驗(yàn)，包括太空輻射環(huán)境和大氣輻射環(huán)境，同時(shí)還開(kāi)展了許多地面模擬實(shí)驗(yàn)。本文主要針對(duì)國(guó)外近些年對(duì)單粒子效應(yīng)的一些研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)，分析單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)相關(guān)的飛行實(shí)驗(yàn)^[4]以及地面模擬實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及值得關(guān)注的問(wèn)題。

1 Samsung SRAM芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力測(cè)試

    KM684000LG-5是一款Samsung公司生產(chǎn)的容量為4 Mb的SRAM存儲(chǔ)芯片。在1993年，瑞典愛(ài)立信薩博航空公司對(duì)針該芯片進(jìn)行過(guò)相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)^[5]，實(shí)驗(yàn)分為地面輻照實(shí)驗(yàn)和大氣飛行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)CUTE的測(cè)試裝置，用來(lái)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的單粒子翻轉(zhuǎn)。該研究機(jī)構(gòu)此次實(shí)驗(yàn)主要研究商用飛機(jī)在正常飛行高度時(shí)，大氣層中的粒子輻射對(duì)存儲(chǔ)芯片所產(chǎn)生的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響。

1.1 Samsung SRAM芯片中子輻照實(shí)驗(yàn)

    地面輻照實(shí)驗(yàn)對(duì)該芯片進(jìn)行三次不同中子源^[6]輻射測(cè)試，三個(gè)測(cè)試地點(diǎn)分別為丹麥RNL實(shí)驗(yàn)室、瑞典哥德堡查爾摩斯工學(xué)院（CTH）、瑞典烏普薩拉斯維德貝格實(shí)驗(yàn)室（TSL），實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果如表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在受到較高能量輻射時(shí)，芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)更容易產(chǎn)生，地面輻照實(shí)驗(yàn)得到該款芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)率范圍在0.08 SEUs/dev/day至0.1 SEUs/dev/day之間。

1.2 Samsung SRAM芯片航空飛行實(shí)驗(yàn)

    薩博航空公司采用北歐航空和法航航空的商用飛機(jī)進(jìn)行航空飛行實(shí)驗(yàn)，飛行高度在8.84 km～11.9 km之間，飛行的緯度22°～79°之間。

    北歐航空的實(shí)驗(yàn)收集了飛機(jī)1 088小時(shí)飛行時(shí)間的數(shù)據(jù)。飛機(jī)飛行的地理緯度在28°～79°之間。在此次飛行實(shí)驗(yàn)中，共檢測(cè)到489次單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，計(jì)算出的單粒子翻轉(zhuǎn)率為0.12 SEUs/dev/day。

    法航航空的實(shí)驗(yàn)收集了飛機(jī)1 005小時(shí)飛行時(shí)間的數(shù)據(jù)。其中飛機(jī)飛行時(shí)間的5/7在北緯22°N位置，飛行時(shí)間的2/7在北緯60°位置。實(shí)驗(yàn)一共觀察到222次單粒子翻轉(zhuǎn)，得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率為0.055 SEUs/dev/day。

    研究人員表明此次飛行緯度對(duì)于單粒子翻轉(zhuǎn)的產(chǎn)生有著很大的關(guān)系，不同緯度地區(qū)，由于不同緯度的中子通量也不同^[7-8]，電子器件的單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)也不相同，一般情況緯度低，粒子輻射能量高，單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)越敏感，因此雖然法航比北歐航空飛行實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果數(shù)據(jù)低一半，但也是在同樣的量級(jí)上，與期望結(jié)果是一致的。

1.3 Samsung SRAM芯片抗輻照性能分析

　　薩博航空公司的實(shí)驗(yàn)闡明了在大氣層中中子輻射對(duì)SRAM存儲(chǔ)芯片有著很重要的影響，中子輻射能夠引起SRAM存儲(chǔ)芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)。從地面輻照實(shí)驗(yàn)和飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該款芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)率比較高，一個(gè)器件每天約有0.05～0.12個(gè)翻轉(zhuǎn)故障產(chǎn)生。航空電子器件屬于高可靠性設(shè)備，如果要用在航空電子系統(tǒng)中，是無(wú)法滿(mǎn)足民用航空適航和安全性要求的，需要采取一定的防護(hù)加固措施。

2 NEC SRAM存儲(chǔ)芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力測(cè)試

    NEC D43256A6U-15LL是一款1.3 μm CMOS制作工藝的SRAM存儲(chǔ)芯片，該芯片的容量為256 Kb。丹麥核安全研究部門(mén)研究大氣中子輻射對(duì)存儲(chǔ)芯片的影響，選取該款芯片進(jìn)行了單粒子翻轉(zhuǎn)相關(guān)的地面輻照實(shí)驗(yàn)和大氣飛行實(shí)驗(yàn)^[9]。

2.1 NEC SRAM地面輻照實(shí)驗(yàn)

    地面輻照實(shí)驗(yàn)在RNL實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，研究人員使用Pu-Be中子源對(duì)D43256芯片進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，芯片受到輻射的中子通量為830 n/cm²/sec。此次輻照實(shí)驗(yàn)用電腦記錄SRAM中單粒子翻轉(zhuǎn)情況，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每隔30 s對(duì)SRAM內(nèi)存儲(chǔ)信息進(jìn)行掃描，當(dāng)芯片內(nèi)出現(xiàn)位翻轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)翻轉(zhuǎn)位進(jìn)行記錄。

    在中子輻照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的30.72天中總共發(fā)現(xiàn)112個(gè)SEUs現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中電腦實(shí)際測(cè)試位數(shù)為4.01×10⁶ bit，最后計(jì)算得到該芯片在中子輻射中的單粒子翻轉(zhuǎn)率為9.09×10^-7 SEUs/bit/day，即3.65 SEUs/dev/day實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。這個(gè)值表明D43256A6U-15LL該芯片對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)是非常敏感的，也就是說(shuō)在受到粒子輻射時(shí)，平均每天每個(gè)器件會(huì)產(chǎn)生3.65個(gè)單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，非常容易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.2 NEC SRAM飛行實(shí)驗(yàn)

    D43256芯片的飛行實(shí)驗(yàn)由商用飛機(jī)攜帶飛行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，飛機(jī)的飛行高度為10 km，根據(jù)UNSCEAR^[10]表明10 km高度的大氣中子通量為2-3 n/cm²/sec，實(shí)驗(yàn)階段總共攜帶飛行時(shí)間為六個(gè)月，總共的測(cè)試位為3.11×10⁶ bit。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試系統(tǒng)在飛機(jī)正常飛行階段對(duì)芯片內(nèi)部測(cè)試位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且記錄測(cè)試位的位翻轉(zhuǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后實(shí)驗(yàn)人員結(jié)合敏感體積、爆裂生成率、中子通量以及總共的測(cè)試位數(shù)，計(jì)算出此次飛行實(shí)驗(yàn)單粒子翻轉(zhuǎn)率為2.4×10^-8 SEUs/bit/day，即7.46×10^-2 SEUs/dev/day。由于輻照實(shí)驗(yàn)采用的中子通量比大氣層中的中子通量高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此飛行實(shí)驗(yàn)得到單粒子翻轉(zhuǎn)率與預(yù)期一致。

2.3 NEC SRAM抗輻照能力分析

    通過(guò)對(duì)以上的實(shí)驗(yàn)分析，可以得到以下結(jié)論：

    (1)地面模擬輻射實(shí)驗(yàn)采用中子輻射，針對(duì)大氣層中輻射較多的中子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且通過(guò)與飛行實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，可以看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的可信度，也表明了在大氣中中子輻射對(duì)芯片的影響很大；

    (2)地面輻照實(shí)驗(yàn)得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率為3.65 SEUs/dev/day，飛行實(shí)驗(yàn)得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率為7.46×10^-2 SEUs/dev/day，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得到的失效率都非常的高^[11]，說(shuō)明該款芯片在航空飛行的環(huán)境下非常容易出錯(cuò)，如果該芯片應(yīng)用在航空器上，會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的危害；

    (3)在正常飛行高度的中子通量是地平面的200-400倍，因此在高空運(yùn)行的航電系統(tǒng)，比在地面要危險(xiǎn)得多，對(duì)于應(yīng)用在航空中的系統(tǒng)，一定要采取相應(yīng)的防單粒子翻轉(zhuǎn)的加固措施。

3 IMS SRAM芯片航空飛行抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力測(cè)試

    波音國(guó)防和航天集團(tuán)對(duì)RAM型存儲(chǔ)芯片進(jìn)行過(guò)航空飛行實(shí)驗(yàn)，研究大氣中子通量引起的單粒子效應(yīng)對(duì)飛機(jī)航空電子器件的影響^[12]。實(shí)驗(yàn)針對(duì)IMS公司的64 k SRAM存儲(chǔ)芯片，由軍用飛機(jī)攜帶飛行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，飛機(jī)的飛行高度為29 000英尺和65 000英尺。實(shí)驗(yàn)使用NASA ER-2飛機(jī)和Boeing E-3飛機(jī)，SRAM被攜帶飛行接近60次航班，累計(jì)飛行達(dá)到300飛行小時(shí)，總共發(fā)現(xiàn)大約75次單粒子翻轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)得到的單粒子翻轉(zhuǎn)率情況如表3。

    從飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可以分析得到：

    (1)該款芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)率在10^-8 SEUs/bit/day至10^-7 SEUs/bit/day量級(jí)，若該芯片直接應(yīng)用在航空電子設(shè)備中，對(duì)設(shè)備的安全性和可靠性有著很大的影響；

    (2)E-3飛機(jī)飛行高度為29 000英尺，ER-2飛機(jī)飛行高度為65 000英尺，隨著飛機(jī)飛行海拔高度的增加，芯片受到的輻射能量隨之升高，產(chǎn)生的單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象也更加明顯。

4 航空輻射環(huán)境SRAM存儲(chǔ)芯片抗單粒子翻轉(zhuǎn)能力分析

    目前CMOS工藝的SRAM存儲(chǔ)芯片，其對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)是非常敏感的，若不采取相關(guān)的輻射加固措施，其失效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足航空電子設(shè)備安全性的要求。

    1)綜合上述各款SRAM芯片的實(shí)際飛行數(shù)據(jù)，在大氣層10 km高度附近SRAM型存儲(chǔ)芯片的單粒子翻轉(zhuǎn)率在10^-8 SEUs/bit/day量級(jí)，已嚴(yán)重威脅航電系統(tǒng)的安全運(yùn)行；

    (2)結(jié)合地面輻照實(shí)驗(yàn)和航空飛行實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)大氣中中子輻射對(duì)芯片的影響比較大，SRAM芯片的單粒子效應(yīng)更主要是由中子輻射引起的；

    (3)在大氣層中飛行高度越高，SRAM型存儲(chǔ)芯片受到輻射能量越大，單粒子效應(yīng)越明顯，越容易產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)；

    (4)由于地理緯度的不同，大氣中的中子能量也有所不同，一般緯度低的區(qū)域中子通量比較高，SRAM芯片受到的輻射能量也比較大，因此運(yùn)行在低緯度區(qū)域的航空器，其電子設(shè)備要受到額外的防護(hù)；

    (5)盡管器件生產(chǎn)廠商已經(jīng)注意到單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)問(wèn)題，但是單單從器件本身的加固技術(shù)來(lái)看，尚不能滿(mǎn)足器件安全運(yùn)行的要求。

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