質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)衛(wèi)星典型軌道下SRAM在軌錯誤率分析

張付強(qiáng)，郭 剛，覃英參，陳啟明

（中國原子能科學(xué)研究院 國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 102413）

0 引言

航天器在軌運(yùn)行面臨惡劣的空間輻射環(huán)境。其中的高能粒子入射到航天器的微電子器件敏感區(qū)域時，將會產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，干擾甚至破壞航天器的正常運(yùn)行。如，美國MSTI和IRON9906衛(wèi)星由于單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)導(dǎo)致提前結(jié)束壽命[1]。因此，微電子器件必須經(jīng)過重離子及質(zhì)子單粒子效應(yīng)地面模擬考核，且達(dá)到相關(guān)指標(biāo)才能應(yīng)用于航天器。單粒子效應(yīng)地面模擬考核是指利用粒子加速器、脈沖激光、放射源等設(shè)備和手段模擬空間粒子輻射環(huán)境，通過對器件進(jìn)行輻照，評估器件抗單粒子效應(yīng)能力。其中利用粒子加速器對器件進(jìn)行輻照是目前最為常見的方法[2]。

國外開展單粒子效應(yīng)的研究起步較早，涉及單粒子效應(yīng)理論、單粒子效應(yīng)實驗方法等[3-5]。這些成果匯集形成標(biāo)準(zhǔn)單粒子效應(yīng)實驗考核方法。常見的標(biāo)準(zhǔn)有歐洲航天局發(fā)布的ESA/SCC No.25100標(biāo)準(zhǔn)[6]，美國國防部發(fā)布的MIL-STD-750標(biāo)準(zhǔn)[7]，美國電子工業(yè)協(xié)會發(fā)布的EIA/JESD-57標(biāo)準(zhǔn)[8]。我國發(fā)布了重離子單粒子效應(yīng)考核實驗標(biāo)準(zhǔn)GJB 7242—2011[9]，但是缺乏質(zhì)子單粒子效應(yīng)考核實驗標(biāo)準(zhǔn)。其原因在于我國缺乏適用于質(zhì)子單粒子效應(yīng)考核實驗的粒子加速器和相關(guān)輻照裝置，進(jìn)行質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗只能申請國外加速器輻照裝置的機(jī)時，需耗費(fèi)大量精力和物力。

中國原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器（CY CIAE-100）的單粒子效應(yīng)輻照裝置在2016年年底正式運(yùn)行，標(biāo)志著我國質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗?zāi)芰Φ男纬?。本研究將利用該裝置開展質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的衛(wèi)星典型軌道在軌錯誤率分析，進(jìn)一步揭示開展宇航用微電子器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)考核的重要性。

1 質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗

1.1 被試器件

選取歐洲航天局開發(fā)的單粒子效應(yīng)監(jiān)督器（ESA SEU Monitor）作為被試器件，其核心為AT 68188F型靜態(tài)隨機(jī)存儲器（如圖1所示），由4塊AT 60142F型SRAM組成。AT 60142F是一款250 nm、CMOS工藝的低功耗 SRAM，尺寸為 6.1 mm×11.2 mm，工作電壓為3.3 V。為避免出現(xiàn)單粒子多位翻轉(zhuǎn)（MBU）效應(yīng)，AT60142F型SRAM被設(shè)計為8個并行存儲塊，總存儲容量為512 kByte×8。

圖1 AT 68188F型靜態(tài)隨機(jī)存儲器Fig.1 AT 68188F SRAM

1.2 實驗方法

實驗主要在CY CIAE-100的單粒子效應(yīng)輻照裝置上進(jìn)行，選取質(zhì)子束流能量分別為30、40、50、60、80和90 MeV。為獲得器件在30 MeV以下能量點(diǎn)的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面，實驗還在中國原子能科學(xué)研究院HI-13串列加速器單粒子效應(yīng)輻照裝置上進(jìn)行了22 MeV和15 MeV能量點(diǎn)的質(zhì)子單粒子效應(yīng)實驗。

單粒子效應(yīng)測試體系布局如圖2所示。實驗所用待測芯片固定于測試板上，由穩(wěn)壓電源提供3.3 V工作電壓。上位機(jī)與芯片之間的通信通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行。進(jìn)行單粒子效應(yīng)測試時，芯片處于靜態(tài)工作模式，采用寫入數(shù)據(jù)—輻照器件—回讀數(shù)據(jù)進(jìn)行比較的測試程序。具體來說，實驗開始前利用上位機(jī)中的單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)對芯片存儲單元寫入全零模式測試圖形；然后接受束流輻照，注量率為 1×107cm-2·s-1，當(dāng)總注量達(dá)到 5×109cm-2時停止輻照；回讀此時存儲單元的數(shù)據(jù)并與初始寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出單粒子翻轉(zhuǎn)事件的發(fā)生數(shù)量。

圖2 單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)布局Fig.2 Layout of the SEE testing system

2 典型軌道在軌錯誤率預(yù)估方法

測試得到待測器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)的數(shù)量及對應(yīng)的質(zhì)子輻照總注量后，利用

進(jìn)行單粒子翻轉(zhuǎn)截面的計算。式中：σ為器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面面積，cm2/bit；N為器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)事件的數(shù)量；Φ為此時器件所受輻照的總注量，cm-2；H為器件存儲容量，bit。

通過式(1)得到的SEU Monitor靜態(tài)隨機(jī)存儲器的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖3(a)所示，該結(jié)果與文獻(xiàn)[10]報道的同款器件單粒子翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)較為一致，驗證了本實驗截面測量的準(zhǔn)確性[10]。為進(jìn)行在軌錯誤率預(yù)估，利用式(2)進(jìn)行Weibull擬合后得到質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線（圖3(a)）。

式中：A為擬合得到的飽和翻轉(zhuǎn)截面；xc為翻轉(zhuǎn)截面曲線的閾值；W為寬度參數(shù)；S為量綱為1的指數(shù)。

同時利用已有的SEU Monitor重離子單粒子效應(yīng)實驗數(shù)據(jù)擬合得到器件的重離子單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線如圖3(b)所示[11]?？梢钥吹?，該器件的質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)飽和截面比重離子單粒子翻轉(zhuǎn)飽和截面低約6個數(shù)量級。為評價不同帶電重離子在材料中直接電離的能力，重離子單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線的橫坐標(biāo)使用的是線性能量傳輸（Linear Energy Transfer, LET）值（重離子在材料單位路徑長度上損失的能量）。該量值通常采用被材料密度歸一化的形式，單位為MeV·cm2/mg。區(qū)別于重離子，質(zhì)子單粒子效應(yīng)翻轉(zhuǎn)截面曲線的橫坐標(biāo)使用質(zhì)子能量表示，原因在于質(zhì)子單粒子效應(yīng)的主要物理機(jī)制為間接電離作用。

圖3 不同粒子輻照條件下的SRAM單粒子翻轉(zhuǎn)截面曲線Fig.3 SEU curve of the SRAM under different radiation conditions

在軌錯誤率計算將基于擬合得到的器件單粒子效應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行。Space Radiation 7.0是由Space Radiation Associates開發(fā)的空間輻射效應(yīng)計算軟件，得到美國眾多航天研究機(jī)構(gòu)的認(rèn)可和使用，并已成功為多種型號航天器的在軌正常運(yùn)行提供數(shù)據(jù)保障[12]?，F(xiàn)利用該軟件，選取低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO）、高地球軌道（HEO）、地球同步軌道（GEO）和太陽同步軌道（SSO）作為典型軌道進(jìn)行質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率的計算，同時與重離子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率進(jìn)行對比，相關(guān)結(jié)果如表1所示。計算中，地球俘獲帶質(zhì)子使用AP-8模型；太陽宇宙射線質(zhì)子使用JPL1991模型；由于銀河宇宙射線質(zhì)子通量較低（1～10 cm-2·s-1），故不予考慮。

表1 典型軌道上單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率Table 1 SEE induced in-orbit soft error rate

由表1可以看到，在低軌道、中軌道及高軌道條件下質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率均高于重離子單粒子效應(yīng)引發(fā)的，且這2個錯誤率的比值隨軌道高度的變化而變化。

3 各類參數(shù)對在軌錯誤率的影響計算

3.1 軌道高度的影響

航天器軌道高度是研究輻射環(huán)境影響的重要參數(shù)之一。取航天器屏蔽層等效鋁厚度為3 mm，軌道傾角為52°，計算分析軌道高度對單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率的影響，并繪制軌道高度-在軌錯誤率曲線，如圖4所示。

圖4 軌道高度對質(zhì)子單粒子效應(yīng)在軌錯誤率的影響Fig.4 The influence of orbit altitude on the proton SEE induced On-orbit SER

由圖4可見，在GEO高度以下，隨著軌道高度的增加，質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢，而重離子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率則一直呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。其中地球俘獲帶質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率隨著軌道高度增加先增加后減少，在H=3000 km時達(dá)極大值，約為 1.66×10-5upset/(bit·d)，而此時重離子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率約為5.4×10-9upset/(bit·d)。當(dāng)H＞10 000 km后，地球俘獲帶質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率下降至低于重離子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率，且接近于0。太陽宇宙射線質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率則呈現(xiàn)隨著軌道高度增加一直增大的趨勢。

質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率中，當(dāng)H＜10 000 km時由地球俘獲帶質(zhì)子引發(fā)的在軌錯誤率占主要地位，而當(dāng)H＞10 000 km時由太陽質(zhì)子引發(fā)的在軌錯誤率占主要地位。

中低軌道條件下，質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率最高比重離子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率高3個數(shù)量級左右；在高軌道條件下，質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率比重離子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率高5倍左右。

3.2 軌道傾角的影響

衛(wèi)星軌道傾角對質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率的影響如圖5所示。在不同軌道高度條件下質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率都隨著衛(wèi)星軌道傾角的增加呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。

圖5 軌道傾角對質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率的影響Fig.5 The influence of orbit inclination on proton SEE induced in-orbit soft error rate

當(dāng)H=800 km時，在軌錯誤率在軌道傾角為150°時出現(xiàn)極大值。這可能是因為當(dāng)航天器處于低軌道運(yùn)行時，地球俘獲帶質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率占主要地位，但地球俘獲帶質(zhì)子分布并不均勻，以該軌道傾角運(yùn)行的衛(wèi)星將會通過南大西洋異常區(qū)附近，該區(qū)域明顯增大的質(zhì)子通量使得衛(wèi)星在軌錯誤率提高。

當(dāng)H=15 000 km時，太陽質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率占主要地位，軌道傾角-在軌錯誤率曲線呈軸對稱分布。

3.3 屏蔽層厚度的影響

不同鋁等效厚度的航天器屏蔽層對質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率的影響如圖6所示。

圖6 屏蔽層等效鋁厚度對質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率的影響Fig.6 The influence of Al thickness on proton induced in-orbit soft error rate

可以看出，隨著屏蔽層厚度的增加，不同軌道高度條件下質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率均逐漸降低。在低地球軌道條件（H=800 km）下，等效屏蔽層厚度每提高約1個數(shù)量級，質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率降低約23%；在中高地球軌道條件（H=15 000 km）下，等效屏蔽層厚度每提高約1個數(shù)量級，質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率降低約64%?？梢姡粢蠓冉档推骷脑谲夊e誤率，需要采用相當(dāng)厚度的屏蔽層，但這將導(dǎo)致航天器質(zhì)量的大幅增加。

3.4 太陽活動的影響

描述地球俘獲帶質(zhì)子的AP-8模型分Min和Max，分別描述太陽活動極小和極大時地球俘獲帶的質(zhì)子通量。我們研究這2種太陽活動條件對質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率的影響。選取軌道高度為800 km，軌道傾角為98.7°的“風(fēng)云三號D”氣象衛(wèi)星的軌道條件進(jìn)行計算。結(jié)果顯示：AP-8 Max條件下時的衛(wèi)星的在軌錯誤率低于AP-8 Min條件時的，分別為 2.78×10-7和 3.7×10-7upset/(bit·d)。其主要原因在于AP-8 Max條件下太陽活動劇烈，將加熱地球大氣層使其膨脹，使得本不與大氣層接觸的質(zhì)子與大氣發(fā)生核反應(yīng)，造成質(zhì)子通量和能量的下降[13]。圖7為計算得到的不同條件下的質(zhì)子能譜圖，進(jìn)一步驗證了該推測。

圖7 AP-8 Max/Min條件下的質(zhì)子能譜圖（H=800 km）Fig.7 The energy spectra of proton under AP-8 Max and AP-8 Min conditions (H=800 km)

4 結(jié)束語

本文利用CY CIAE-100的質(zhì)子單粒子效應(yīng)輻照實驗裝置，選取典型SRAM器件，通過測試推導(dǎo)出其單粒子翻轉(zhuǎn)截面，并分析計算了運(yùn)行于典型軌道的衛(wèi)星搭載該器件時的質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率。研究結(jié)果表明：當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度H＜10 000 km時，地球俘獲帶質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率占主要地位；當(dāng)H＞10 000 km時，太陽質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率占主要地位。當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行于同步地球軌道高度及以下高度時，質(zhì)子單粒子效應(yīng)引發(fā)的在軌錯誤率均高于重離子單粒子效應(yīng)引發(fā)的，最大差別可達(dá)3個數(shù)量級左右。