大气辐射环境效应及其试验方法标准分析

大气辐射环境效应及其试验方法标准分析
陈宇;李明;陈雪晴
【摘要】本文在对大气辐射环境及其对航空电子设备危害影响调研分析的基础上,针对JESD 89A、EIAJ EDR-4705、IEC 62396-2、IEC 62396-5、RTCA DO-160方法2X等国外现行航空电子设备大气辐射试验相关试验标准,对比分析各标准的试验目的、适用对象、适用范围以及试验方法、试验用的辐射源,了解各标准的特点,并对大气辐射诱发的单粒子效应试验程序和试验数据处理方法进行了深入研究,得出国外大气辐射试验方法涉及的技术已趋于成熟,鉴于航空电子设备受大气辐射影响越来越突出的事实,提出针对国内辐射源情况制定国内大气辐射试验方法标准的建议.
【期刊名称】《环境技术》
【年(卷),期】2018(000)0z1
【总页数】7页(P195-200,205)
【关键词】大气辐射;单粒子效应;航空电子设备
【作者】陈宇;李明;陈雪晴
【作者单位】航空工业综合技术研究所,北京 100028;航空工业综合技术研究所,北京 100028;航空工业综合技术研究所,北京 100028
【正文语种】中文
【中图分类】V520
引言
宇宙射线进入大气层中与大气的氮、氧原子发生核反应产生的混合复杂电离辐射环境，其主要由带电粒子与不带电粒子构成，包括电子、质子、中子、π介子及μ
子等粒子，其中，中子是主要的组成部分，航空高度遭遇的大气中子辐射环境较地面恶劣得多。

大气中子入射半导体器件诱发各种扰动或损伤现象，这种现象被称之为单粒子效应，大气中子单粒子效应会导致航空电子设备发生数据错误、丢帧、自动复位、功能丧失及死机等故障现象。

随着航空电子系统复杂性的不断提高以及器件特征尺寸的不断减小，大气辐射环境对航空电子设备的影响逐渐显现，大气中子诱发单粒子效应导致重大事故的案例亦是屡见不鲜，例如2008年10月7日当地时间9:32，一架A330型飞机由新加坡飞往澳大利亚佩斯，机载大气惯性基准单
元（ADIRU）间歇输出错误数值，2分钟后飞控主计算机操纵飞机俯仰，这一事故导致119名乘客和乘务员受伤，其中12人受重伤，澳大利亚运输安全局（ATSB）调查小组的评估分析报告显示ADIRU故障诱因直指单粒子效应。

目前大气中子单粒子效应对航空电子设备的可靠性、维修性及飞机安全性影响的事实已经受到国内外研究者广泛地关注和重视，如美国、欧洲及澳大利亚等国家已在相关适航认证文件[1-3]中增加了关于大气中子单粒子效应不能危及飞机安全的要求，美国军用飞机适航认证标准[4]中也明确规定了关于大气中子单粒子效应的减
缓要求，我国个别型号在研制过程中已开始考虑航空电子设备对单粒子效应的防护和试验验证，国内目前还缺乏适用于航空电子设备的单粒子效应试验方法标准，本文旨在分析国际上现有相关试验方法的标准现状，了解相关标准适用对象和使用范围、试验条件、试验程序、试验数据处理方法，对比分析各相关标准的异同和优缺，提出国内航空电子设备大气中子单粒子效应试验方法标准制定的建议。

1 大气中子单粒子效应
1.1 大气中子单粒子效应主要类型
大气中子单粒子效应根据对半导体器件的作用现象可以分为单粒子翻转（SEU）、单粒子多位翻转（MBU）、单粒子瞬态（SET）、单粒子功能中止（SEFI）、单
粒子锁定（SEL）、单粒子烧毁（SEB）、单粒子栅穿（SEGR）等；依据损伤结果的严重程度可以将大气中子单粒子效应诱发的作用现象分为硬错误和软错误两大类，其中，硬错误是一种永久性损伤，一旦发生则不能通过简单操作来恢复；软错误是一种临时性的扰动，发生后可通过复位、断电重启或电路的检错纠错等方式来恢复正常。

NSEE主要类型的描述及错误属性见表1，其中单粒子翻转（SEU）是最常
见的。

1.2 易受大气单粒子效应影响的器件
半导体器件由于结构及工艺特点的不同，发生单粒子效应的类型也不同，受大气单粒子效应影响的器件及其失效现象如表2所示。

1.3 易受大气单粒子效应影响的航空电子设备
易受大气单粒子效影响的航空电子设备主要包括：
1）电传操纵系统；
2）自动驾驶仪；
3）飞行告警设备；
4）通讯（语音和数据）设备；
5）导航系统；
6）全权限数字式发动机控制器（FADEC）；
7）其它任何含有电子元器件的航空电子设备。

2 适用航空电子设备单粒子效应试验的相关标准分析
2.1 现行试验方法标准
外太空辐射环境非常恶劣，所以航天领域较早重视辐射效应的危害影响，制定了系
列辐射效应试验评价方法标准，包括重离子和质子等单粒子效应试验方法标准，其中最具有代表性的是ASTM F1192《半导体器件重离子单粒子现象的测量指南》[5]、ESCC 25100《单粒子效应试验方法及指南》[6]以及JEST 57《半导体器件重离子单粒子效应测量的试验程序》[7]，相比航天领域内的单粒子效应试验方法制修订情况，适用航空电子设备的单粒子效应试验方法标准制定的时间较晚，且由于大气层内诱发单粒子效应的辐射源主要是中子，不同于外太空辐射源主要是重离子和质子，所以上述航天领域内的单粒子效应试验方法并不适用于航空电子设备。

近年来，随着半导体器件和集成电路的工艺尺寸越来越小，其受大气中子单粒子效应的危害影响越来越突出，导致航空电子设备大气中子单粒子效应受到各国重视，航空电子设备单粒子效应试验的现行相关标准包括：2001年，美国电子工业联盟（EIA）与固态技术协会（JEDEC）联合发布的JESD 89《半导体器件α粒子和地面宇宙射线诱发软错误的测量和报告》[8]，2005年，日本电子信息技术工业协会（JEITA）出版发行了EIAJ EDR-4705《软错误测量指南》[9]。

2006年起，IEC TC107技术委员会（航空电子过程管理）专门成立了航空电子大气辐射影响项目组，负责编制与此相关的国际标准，即IEC 62396系列标准，目前正式出版的包括了五个部分，分别是航空电子设备中由单粒子效应引起的大气辐射影响的一般要求、航空电子系统单粒子效应试验指南、适应大气辐射中单粒子效应的优化系统设计、高电压航空电子和潜在单粒子效应设计指南和航空电子系统中热中子注量和影响评估指南。

随着航空工业领域对大气辐射影响的逐步关注以及相关技术的迅速发展，促进了IEC 62396系列标准的迅速发展。

不仅已颁布标准以每2～3年一次的频率修订，而且从2014年起，项目组同时启动了第6部分（空间天气影响）、第7部分（航空电子系统设计过程的大气辐射影响分析通用要求）、第8部分（介子的影响）的编制工作，项目组随之扩展为工作组（第4工作组）。

这些标准针对大气辐射这一特殊环境因素，涉及到了环境分析、环境适应性设计，以及环境试验
与评价等环境工程工作的各个方面，是目前系统阐述航空电子大气辐射影响的最全面、最权威的文件，目前已经在波音、空客、霍尼韦尔等航空公司中得到应用。

表1 大气中子单粒子效应主要类型的描述及错误属性单粒子翻转 SEU 单个高能粒子入射器件引起单元逻辑状态改变的现象软错误单粒子多位翻转MBU 单个高能
粒子入射器件引起多个单元逻辑状态改变的现象软错误单粒子瞬态 SET 单个高能粒子入射器件引发输出电压扰动的现象软错误单粒子功能中止SEFI单个高能粒子入射器件引起特殊单元发生逻辑错误而导致器件功能异常的现象软错误单粒子锁定SEL单个高能粒子入射器件引发内部寄生可控硅结构开启而形成一种低电阻大电流的现象软错误或硬错误单粒子烧毁 SEB 单个高能粒子入射MOS器件引发源-漏电流过大而烧毁器件的现象硬错误单粒子栅穿 SEGR 单个高能粒子入射MOS器件
引发栅区电流过大导致栅氧化物烧毁硬错误
表2 受NSEE影响的器件及失效现象单粒子翻转 SEU 存储器，锁存器、寄存器、CPU、DSP、FPGA、ASIC 逻辑状态发生非预期的改变，可能是“1”变成“0”、或“0”变成“1”多位翻转 MBU 存储器，锁存器、寄存器、CPU、DSP、FPGA 一个粒子作用下，多个存储单元发生逻辑非预期改变单粒子单粒子瞬态 SET 模拟
电路、混合电路、光子学器件、电源器件非正常工作状态，如CPU中的状态寄存
器受高能粒子入射发生逻辑错误则可能导致CPU程序挂起或功能异常单粒子锁定SEL CMOS、BiCMOS器件大电流状态，器件一旦发生SEL，则必须断电重启才
可以消除这种大电流状态恢复正常。

若电路设计中没有限流措施，SEL诱生的大电流会烧毁电路单粒子烧毁 SEB 双极型三极管、N沟道MOSFET功能中止 SEFI CPU、DSP、FPGA等复杂器件输出端产生一个具有一定脉宽和幅度的畸变电压，该畸变电压会沿电路传播。

如光耦器件在“关”状态受到高能粒子入射，原本应该输出低电压的端口可能会产生一个高电平脉冲产生一个假信号而影响下一级逻辑电路单粒子器件烧毁单粒子栅穿 SEGR MOSFET 栅极电介质的断裂
2.2 各相关标准的试验目的、适用对象及适用范围
航空电子产品（含器件及设备）大气中子单粒子效应试验相关标准的试验目的、适用对象及适用范围如表3所示。

其中IEC 2396-2《航空电子系统单粒子效应试验指南》、IEC 62396-5《热中子注量和航空电子系统单粒子效应的评估方法》及DO-160方法2x：大气辐射等3项标准制定的目的就是针对航空电子产品，给出中子单粒子效应试验方法指南，以指导被试产品在飞行任务期间耐/抗大气辐射环境能力的评估；JESD 89A和EIAJ EDR-4705等2项标准制定的目的是为了测量半导体器件受封装材料辐射及大气辐射环境诱发软错误概率的试验方法，适用范围偏重于地面应用环境，应用航空高度的产品开展大气中子效应试验仅可参考该标准中的试验实施内容，试验数据处理及分析则不适宜参考该标准。

2.3 各相关标准的试验方法、辐射源及其特点
航空电子产品（含器件及设备）大气中子单粒子效应试验相关标准的试验方法、辐射源及其特点如表3所示。

2.4 试验程序
航空电子设备大气中子单粒子效应试验的总体流程如图1所示，对敏感器件和含有敏感器件的航空电子设备根据需要按照静态或（/和）动态试验程序开展大气中子单粒子效应试验。

试验过程一般包括：试验方案制定、试验样品准备、试验测试系统开发、辐照实施及试验数据收集、试验数据处理及单粒子效应率预计。

表3 各相关标准的试验目的、试验对象及适用范围标准号试验目的适用对象适用范围JESD 89A 规范α粒子、低能中子和高能中子诱发半导体器件发生软错误测试的试验方法。

存储器；逻辑器件。

半导体封装材料的辐射环境；地面高度大气辐射环境；航空高度大气辐射环境（仅可参考加速试验中的实施内容）。

半导体封装材料的辐射环境；地面高度大气辐射环境；典型航空高度大气辐射环境（仅可参考加速试验中的实施内容）。

IEC 62396-2[10] 给出航空电子设备大气中子单粒子
效应敏感特性测量的试验方法指南。

EIAJ EDR-4705 提出宇宙射线和半导体封装材料辐射引起的软错误试验和预估方法指南。

IEC 62396-5[11]针对含硼元素（10B）的半导体器件与热中子发生核反应的几率非常大的特点，给出该类器件热中子单粒子效应试验方法指南。

RTCA DO-160方法2x：大气辐射（草案）针对飞行包线超过5486米的航空电子设备，提出大气辐射环境下被试设备功能正常运行能力的分析和测试程序。

SRAM、DRAM等半导体存储器件半导体器件；航空电子设备。

典型航空高度（0km～18.3km）大气辐射环境。

含硼（10B）的半导体器件。

机舱内部诱发的热中子辐射环境。

功能板（LRM）；现场可替换单元（LRU）；综合集成模块（IMA）典型航空高度（0～18.3 km）大气辐射环境。

表4 各相关标准的试验方法、辐射源及其特点标准号试验方法辐射源特点样品数量少、试验时间短，试验数据需进行处理分析以评估被试产品在真实任务期间发生单粒子效应的概率。

EIAJ EDR-4705 同上同上同上JESD 89A实时试验真实暴露在自然环境中样品数量多、试验时间长，试验结果最贴近真实应用。

加速试验α粒子，高能中子，热中子2x：大气辐射（草案）加速试验 14MeV 试验成本相对较低、试验实施相对方便快捷，工艺尺寸较大的器件误差较大，工艺尺寸小（小于90nm）的器件试验结果准确度可以满足工程要求。

白光中子源的能谱分布形状同大气自然辐射环境中的中子能谱分布形状相似，单位时间内白光中子源的中子数量大于大气自然环境下中子数量的几个数量级，所以试验结果仅需等比例缩小就是被试产品飞行任务期间发生单粒子效应的概率。

准单能中子源试验存在一定误差，且准单能中子源中尾处的低能中子峰引入的误差消除困难。

单能中子源（14MeV）试验成本相对较低、试验实施相对方便快捷，工艺尺寸较大的器件误差较大，工艺尺寸小（小于90nm）的器件试验结果准确度可以满足工程要求。

IEC 62396-5 加速试验热中子仅适用于硼（10B）的半导体器件，试验实施方便快捷，但受试产品本身将成为放射性污染源，后期处理较困难。

RTCA DO-160
方法白光中子源IEC 62396-2 加速试验
2.4.1 静态试验
静态试验程序如图2所示。

辐照前，对被试器件进行配置并回读，保存回读数据作为参照数据，在辐照期间，被试器件保持静态状态，辐照后读出被试单元的数据，与参照数据相比较，统计翻转次数。

具体试验流程说明如下：
1）写入配置文件，对器件进行配置；
图1 中子单粒子效应试验流程
图2 静态试验程序
2）回读并保存回读文件；
3）记录工作电压和功耗电流；
4）开始辐照；
5）辐照至一定注量后，暂停；
6）记录工作电压和功耗电流；
7）回读并与辐照前回读文件比较统计发生错误数；
8）当错误数达到100个时停止辐照，如果没有100个错误，则重复4）到7）步骤直到注量达到109 n/cm2时停止辐照；
9）通过加载、回读，确定电流及回读功能正常。

2.4.2 动态态试验
动态试验程序如图3所示。

设备级试验主要采取动态试验程序，在中子辐照期间，设备上运行测试用例，在线实时监测受试件的输出，记录故障现象及次数。

具体试验程序说明如下：
1）把测试用例加载到被试设备中，调试使得被试设备能够正常工作；
2）搭建试验系统，并进行联调联试，保证试验件能够正常工作；
3）中子束流调试完成后，试验件加电，自检功能正常后断电；
4）辐照，试验件加电同步进行；
5）试验过程中，如果出现不可恢复性的功能故障则终止试验，排查故障；
6）试验过程中，如果出现可恢复性的功能故障，如程序跑飞、无输出、自动复位等故障现象，则按要求记录故障现象和次数，同时暂停辐射，对试验件进行断电重启操作，功能恢复后继续试验；
7）试验过程中，如果输出结果出错，则记录故障现象和次数；
8）试验过程中，如果故障/错误数累积计算则中子注量应累积计算；
9）辐照过程中，监视中子注量率并记录注量；
10）辐照过程中，根据故障/出错的频率调整中子注量率，如果故障/出错频率高则调低中子注量率，如果故障/出错平率低或不出现错误则调高中子注量率；11）当总注量达到109 n/cm2或错误超过100个时终止辐照；
12）中子辐照后，再次对试验件进行功能检测，统计故障现象；
13）试验数据处理。

2.5 试验数据处理
2.5.1 单粒子效应率计算
单粒子效应率是指在飞行任务期间器件单位时间内发生单粒子效应事件的数。

IEC 62396系列标准推荐了一种简易计算公式，如公式（1）所示。

式中：SEE rate 为SEE率，单位为n/h；
σ为SEE截面，单位cm2/device；
Flux 为任务期间中子平均注量率，单位为n/cm2-s。

图3 动态试验程序
2.5.2 白光中子源的SEE截面计算方法
使用白光中子源进行试验时，平均单粒子效应截面的数学表达式如公式（2）和（3）所示：
或
式中： Fspec为能谱中能量大于某一特定值的中子注量，一般指E＞10MeV的中子注量，单位为n/cm2；为散列中子源的平均单粒子效应截面，单位分别为
cm2/dev和cm2/bit。

2.5.3 单能中子源的SEE截面计算方法
使用单能中子源进行试验时，单粒子效应截面的数学表达式如公式（4）和（5）
所示。

和
式中：σ为NSEE截面，单位为cm2/device；
N为发生SEU的数量，单位为n；
fluence为中子注量（单位面积内法线方向上通过中子的个数），单位为n/cm2。

式中：σ为NSEE截面，单位为cm2/bit；
N为发生SEU的数量，单位为n；
fluence为中子注量（单位面积内法线方向上通过中子的个数），单位为n/cm2。

bittotal为器件中比特位的总数量。

3 结论及建议
未来航空电子设备为了满足越来越高的功能和性能要求，将大量采用带有存储结构的现代CPU、PGA、DSP、存储器等复杂器件，这些器件具有工艺特征尺寸小、
集成度高、工作电压低、存储容量大等特点，这些特点导致航空电子设备受大气中
子单粒子效应的危害影响越来越突出，严重威胁其可靠性和安全性。

国外航空电子设备大气中子单粒子效应试验方法标准中涉及的相关技术趋于成熟，建议参照国外相关标准，结合国内中子辐照源的实际情况，制定适用于我国航空电子设备大气辐射试验方法标准，以指导并规范相关试验的实施。

参考文献:
【相关文献】
[1]EASA Proposed CM -SWCEH-001 Issue: 01. Development Assurance of Airborne Electronic Hardware, February, 2012.
[2]EASA Proposed CM–AS-004 Issue：01. Single Event Effects(SEE) Caused by Atmospheric Radiation, July, 2014.
[3]Advisory Circular 21-50. Approval of software and electronic hardware parts, May,2014.
[4]MIL-HDBK-516B, Airworthiness certification criteria[S],Department of Defense (DoD), September, 2005.
[5]ASTM F1192, Standard Guide for the Measurement of Single Event Phenomena (SEP) Induced by Heavy Ion Irradiation of Semiconductor Devices[S], American Society for Testing and Materials(ASTM), January ,2011.
[6]ESCC 25100, Single event effects test method and guideline[S], European Space Agency, October 2002.
[7]JESD-57, Test procedure for the management of single event effects in semiconductor devices from heavy ion irrradiation[S], Joint Electron Device Engineering Council(JEDEC), October,1996.
[8]JESD-89A, Measurement and reporting of alpha particles and terrestrial cosmic ray induced soft errors in semiconductor devices[S], Joint Electron Device Engineering Council(JEDEC),August ,2006.
[9]EIAJ EDR-4705, JEITA SER Testing Guideline [S], Japan Electronics and Information Technology Industries Association(JEITA), June ,2005.
[10]IEC 62396-2, Process management for avionics –Atmospheric radiation effects –Part 2: Guidelines for single event effects testing for avionics systems [S],The International Electro technical Commission (IEC), September, 2012.
[11]IEC 62396-5, Process management for avionics –Atmospheric radiation effects –Part 5:
Assessment of thermal neutron fluxes and single event effects in avionics systems[S], The International Electro technical Commission (IEC),December, 2016.。