宇宙辐射如何影响半导体功率器件的故障率?

 

能量粒子以多种方式影响半导体芯片，例如存储器、处理器以及模拟和电源设备。器件的故障率取决于其所暴露的辐射量，这不仅是空间应用中至关重要的因素，在地面电源转换器设计中也同样重要。本文讨论了宇宙辐射对宇宙设备故障率的主要影响因素。

 

半导体器件的故障率

 

“浴缸曲线”通常用于图示半导体器件的使用寿命。这一曲线呈现了故障率与时间的关系，其中包括一个初始的高故障率阶段，称为“初生故障期”。在精心确定的应力条件下对器件和模块进行测试，可以筛选出在这一部分浴缸曲线中容易发生故障的器件。紧接着初生故障期的低平部分是器件的正常使用寿命，之后故障率因器件的老化而增加。可靠性测试有助于确定器件在磨损期之前的有效使用寿命。由于宇宙辐射引起的随机故障会影响曲线的平坦部分。虽然这种机制是随机的，但其对有效使用寿命的影响程度可以根据器件技术、工作条件和环境进行预测。

 

用于估算故障率的一个常用指标是“每亿小时故障数”(FIT)。这表示在十亿小时的器件运行中可以预期的故障数量。数学表达式如下：

其中，F为测试期间故障的器件数量，N为总测试器件数量，T为测试时间(小时)。

故障率F以百万分之一(ppm)表示如下：

其中LT为器件的总寿命。

 

宇宙辐射对FIT率的影响

 

高能中子、质子、轻核和重核不断撞击地球。虽然大部分被地球的磁场偏转，但那些进入我们大气层的粒子与外层大气中的原子核发生碰撞，通过雪崩倍增产生大量的次级粒子。能量守恒定律表明，粒子的能量、粒子密度与粒子高度之间存在相关性。

 

撞击半导体器件的次级粒子将其能量传递给器件，产生电子-空穴(e-h)对，生成深度取决于粒子的能量、质量和材料密度。这些e-h对的密度取决于多个因素，包括电离能、原子键强度、电场在各种器件界面和体内的轨迹、缺陷形成等。中子对电子元件构成最大威胁，因为它们相对较重，具有较大的俘获截面，并且穿透能力强。

 

故障模式的一个例子是“单事件烧毁”(SEB)。电离轨迹和e-h对的形成会在阻断模式下的器件中产生高电场区域和影响电离，可能形成导电丝，导致器件结短路。在MOSFET中，寄生双极器件可能被激活，导致雪崩倍增和高局部温度下的烧毁。

 

多种因素影响暴露于辐射下的器件的FIT率，包括阻断电压、海拔高度、结温、芯片面积、关断状态占空比等。辐射损伤会对正常FIT率造成加速效应。图1展示了在低频工作模式下二极管的加速因子的一个例子。

图1

 

温度

 

器件的结温取决于热阻、冷却条件、导通状态占空比以及在导通状态下的损耗。

图2展示了温度加速因子与器件FIT率的关系图。

图2

 

电压

器件的工作电压与额定电压的比率在加速故障(如SEB)中起着重要作用。图3绘制了这一比率的加速因子。

图3

 

图3中展示的二极管的图示可以根据器件类型和技术有所不同。例如，在碳化硅(SiC)器件中，SEB和其他单事件漏电故障的起始电压比硅(Si)器件要低得多。在SiC器件中，灾难性的SEB损伤可能在仅为额定电压三分之一的漏极偏压下发生。

 

这就要求在选择可能面临更高辐射风险的器件时确保足够的电压保护带。该电压加速因子在阻断模式下影响器件，因此从中得到的净加速因子还取决于器件的关断状态占空比。参考文献1中的证据补充了电压效应的相关性，表明具有更厚、更高电阻率耗尽区的二极管在特定应力电压下表现出较低的故障率。

 

海拔

作为地理海拔高度函数的故障率测量是复杂的。Kabza等人1的研究质性地显示了这一效应的明确证据，他们发现，在地球表面以下140米的盐矿中承受应力的二极管没有发生故障，而实验室中的二极管却随时间快速增加故障。参考文献2中的数据用于绘制图4所示的海拔加速因子。

图4

 

海拔效应的一个例子是，一套在海平面运行的系统与在海拔3870米的玻利维亚拉巴斯运行的系统的相对FIT率。由于海拔，拉巴斯系统的加速因子将增加15，因此需要更大的系统努力，以确保器件在其预期寿命内的可靠性。

 

风险降低

 

通常用于降低宇宙辐射引起的故障风险的方法包括为器件的电流承载能力进行过度设计，以减少温度波动。具有更高阻断电压的器件可以显著降低基于电压的加速因子。不过，有些措施可能适得其反，例如，较大的芯片会导致FIT率线性增加。封装和接触结构也发挥作用。

 

符合军用标准的JANTXV密封封装，其加速质量因子(见图1)将低于标准塑料封装。已知用于引线表面的镀锡(Sn)处理容易产生铅丝折断，而使用镍-钯-金(NiPdAu)镀层等替代品可以降低风险。类似地，使用金(Au)线虽然成本更高，但可以缓解因热循环导致的线材折断风险。器件上的金属结合接触相较于弹簧接触将降低图1中列出的接触结构加速因子。在一个非移动、温度和湿度可控的环境中，环境加速因子将远低于移动系统。所有风险因素的综合考虑是必要的，并需选择最佳折中方案，以满足应用的使用寿命需求。