隨著電子設(shè)備在空間、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，輻射對電子設(shè)備的影響日益受到關(guān)注。輻射環(huán)境中的電子設(shè)備可能會受到單粒子效應(yīng)（SEE）、總劑量效應(yīng)（TID）和位移損傷（DD）等多種輻射效應(yīng)的影響。本文將詳細(xì)探討這些輻射效應(yīng)的機(jī)理及其對電子設(shè)備的影響，并介紹相應(yīng)的防護(hù)措施。

輻射環(huán)境

空間輻射環(huán)境

    空間輻射環(huán)境主要由三種輻射源構(gòu)成：銀河宇宙射線（GCR）、太陽輻射和輻射帶。GCR是來自太陽系外的高能粒子流，主要由高能質(zhì)子組成。太陽輻射包括太陽風(fēng)、太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射（CME），這些輻射源會釋放出大量的高能粒子。輻射帶則是行星磁場捕獲的高能粒子區(qū)域，如地球的范艾倫輻射帶。

地面輻射環(huán)境

    地面輻射環(huán)境主要受到三種輻射源的影響：α粒子、高能宇宙射線中子和低能宇宙射線中子與硼-10的相互作用。α粒子主要來自天然放射性衰變，而高能宇宙射線中子則是宇宙射線與大氣中的氮和氧核反應(yīng)產(chǎn)生的。低能中子與硼-10的反應(yīng)會導(dǎo)致單粒子效應(yīng)（SEU）和單粒子鎖定（SEL）。

人工輻射環(huán)境

    人工輻射環(huán)境主要出現(xiàn)在醫(yī)療、工業(yè)和軍事應(yīng)用中。醫(yī)療設(shè)備如X射線機(jī)和質(zhì)子治療機(jī)，工業(yè)設(shè)備如核電站和加速器，以及核武器爆炸產(chǎn)生的高劑量輻射都會對電子設(shè)備產(chǎn)生影響。

輻射效應(yīng)

單粒子效應(yīng)（SEE）

    單粒子效應(yīng)是指單個高能粒子穿過電子設(shè)備時引起的瞬時擾動。SEE可以分為非破壞性和破壞性兩類。非破壞性SEE包括單粒子瞬態(tài)（SET）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）和單粒子功能中斷（SEFI），這些效應(yīng)會導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤，但不會損壞設(shè)備。破壞性SEE包括單粒子鎖定（SEL）、單粒子?xùn)艠O擊穿（SEGR）和單粒子燒毀（SEB），這些效應(yīng)會導(dǎo)致設(shè)備永久損壞。

總劑量效應(yīng)（TID）

    總劑量效應(yīng)是指電子設(shè)備在長期輻射暴露下，由于輻射誘導(dǎo)的電荷產(chǎn)生和捕獲導(dǎo)致的參數(shù)漂移。TID效應(yīng)主要影響MOS和雙極晶體管的性能，導(dǎo)致閾值電壓漂移和漏電流增加。在雙極晶體管中，TID效應(yīng)會導(dǎo)致電流增益下降。

位移損傷（DD）

    位移損傷是指高能粒子與半導(dǎo)體材料晶格相互作用，導(dǎo)致晶格缺陷的積累。這些缺陷會改變半導(dǎo)體的電學(xué)性能，如載流子壽命和遷移率。位移損傷主要影響雙極晶體管和光電器件，導(dǎo)致電流增益下降和光電流減少。

典型案例分析

問題來源：經(jīng)過產(chǎn)線X射線機(jī)Xray檢查芯片焊接后的板子，發(fā)現(xiàn)電源保護(hù)芯片失效

故障表現(xiàn)：電源保護(hù)芯片無輸出，顯示為In-Out電性early up

開蓋和熱點(diǎn)定位分析：未見明顯的異常

Nanoprob測試：確認(rèn)device發(fā)生閾值電壓漂移（VT Shift）

    結(jié)合故障發(fā)生場景，推斷芯片在進(jìn)行Xray檢查焊接質(zhì)量時接受了超過其可承受的輻射劑量發(fā)生了總劑量效應(yīng)（TID），導(dǎo)致芯片的device（MOS）發(fā)生閾值電壓漂移（VT Shift）的問題。

驗證：使用全新樣品（確認(rèn)初始狀態(tài)為良品）進(jìn)行X射線輻照試驗后，可以復(fù)現(xiàn)一樣的故障現(xiàn)象。

輻射防護(hù)

屏蔽

    屏蔽是減少輻射對電子設(shè)備影響的主要方法之一。不同類型的輻射需要不同的屏蔽材料。例如，高密度金屬如鉛可以有效屏蔽X射線和γ射線，而富含氫的材料如塑料和混凝土可以有效屏蔽中子。

    針對輻射敏感器件，且無法通過設(shè)計加固提高器件的耐輻照能力，可以通過屏蔽的方式降低器件接受的輻射劑量，如前文所提的問題，通過增加鉛塊屏蔽以及射線源前增加鋅濾波片可規(guī)避。

設(shè)計加固

    通過設(shè)計加固可以提高電子設(shè)備的抗輻射能力。例如，采用冗余設(shè)計和錯誤校正碼（ECC）可以減少單粒子效應(yīng)的影響。此外，優(yōu)化器件布局和工藝也可以提高設(shè)備的抗輻射性能。

通過設(shè)計增加器件耐輻射能力

集成電路的抗輻射設(shè)計

材料選擇

    選擇低α發(fā)射率的材料可以減少α粒子引起的單粒子效應(yīng)。此外，使用高純度的材料和優(yōu)化的工藝可以減少輻射誘導(dǎo)的電荷捕獲和晶格缺陷。

結(jié)論

    輻射對電子設(shè)備的影響是一個復(fù)雜的問題，涉及多種輻射效應(yīng)和防護(hù)措施。通過深入理解輻射效應(yīng)的機(jī)理，并采取有效的防護(hù)措施，可以顯著提高電子設(shè)備在輻射環(huán)境中的可靠性和性能。