随着电子设备在空间、工业和医疗等领域的广泛应用，辐射对电子设备的影响日益受到关注。辐射环境中的电子设备可能会受到单粒子效应（SEE）、总剂量效应（TID）和位移损伤（DD）等多种辐射效应的影响。本文将详细探讨这些辐射效应的机理及其对电子设备的影响，并介绍相应的防护措施。

 

辐射环境

空间辐射环境

    空间辐射环境主要由三种辐射源构成：银河宇宙射线（GCR）、太阳辐射和辐射带。GCR是来自太阳系外的高能粒子流，主要由高能质子组成。太阳辐射包括太阳风、太阳耀斑和日冕物质抛射（CME），这些辐射源会释放出大量的高能粒子。辐射带则是行星磁场捕获的高能粒子区域，如地球的范艾伦辐射带。

 

地面辐射环境

    地面辐射环境主要受到三种辐射源的影响：α粒子、高能宇宙射线中子和低能宇宙射线中子与硼-10的相互作用。α粒子主要来自天然放射性衰变，而高能宇宙射线中子则是宇宙射线与大气中的氮和氧核反应产生的。低能中子与硼-10的反应会导致单粒子效应（SEU）和单粒子锁定（SEL）。

 

人工辐射环境

    人工辐射环境主要出现在医疗、工业和军事应用中。医疗设备如X射线机和质子治疗机，工业设备如核电站和加速器，以及核武器爆炸产生的高剂量辐射都会对电子设备产生影响。

 

辐射效应

单粒子效应（SEE）

    单粒子效应是指单个高能粒子穿过电子设备时引起的瞬时扰动。SEE可以分为非破坏性和破坏性两类。非破坏性SEE包括单粒子瞬态（SET）、单粒子翻转（SEU）和单粒子功能中断（SEFI），这些效应会导致数据错误，但不会损坏设备。破坏性SEE包括单粒子锁定（SEL）、单粒子栅极击穿（SEGR）和单粒子烧毁（SEB），这些效应会导致设备永久损坏。

 

总剂量效应（TID）

    总剂量效应是指电子设备在长期辐射暴露下，由于辐射诱导的电荷产生和捕获导致的参数漂移。TID效应主要影响MOS和双极晶体管的性能，导致阈值电压漂移和漏电流增加。在双极晶体管中，TID效应会导致电流增益下降。

 

位移损伤（DD）

    位移损伤是指高能粒子与半导体材料晶格相互作用，导致晶格缺陷的积累。这些缺陷会改变半导体的电学性能，如载流子寿命和迁移率。位移损伤主要影响双极晶体管和光电器件，导致电流增益下降和光电流减少。

 

典型案例分析

问题来源：经过产线X射线机Xray检查芯片焊接后的板子，发现电源保护芯片失效

故障表现：电源保护芯片无输出，显示为In-Out电性early up

开盖和热点定位分析：未见明显的异常

Nanoprob测试：确认device发生阈值电压漂移（VT Shift）

    结合故障发生场景，推断芯片在进行Xray检查焊接质量时接受了超过其可承受的辐射剂量发生了总剂量效应（TID），导致芯片的device（MOS）发生阈值电压漂移（VT Shift）的问题。

验证：使用全新样品（确认初始状态为良品）进行X射线辐照试验后，可以复现一样的故障现象。

 

辐射防护

屏蔽

    屏蔽是减少辐射对电子设备影响的主要方法之一。不同类型的辐射需要不同的屏蔽材料。例如，高密度金属如铅可以有效屏蔽X射线和γ射线，而富含氢的材料如塑料和混凝土可以有效屏蔽中子。

 

    针对辐射敏感器件，且无法通过设计加固提高器件的耐辐照能力，可以通过屏蔽的方式降低器件接受的辐射剂量，如前文所提的问题，通过增加铅块屏蔽以及射线源前增加锌滤波片可规避。

 

设计加固

    通过设计加固可以提高电子设备的抗辐射能力。例如，采用冗余设计和错误校正码（ECC）可以减少单粒子效应的影响。此外，优化器件布局和工艺也可以提高设备的抗辐射性能。

 

通过设计增加器件耐辐射能力

 

集成电路的抗辐射设计

 

材料选择

    选择低α发射率的材料可以减少α粒子引起的单粒子效应。此外，使用高纯度的材料和优化的工艺可以减少辐射诱导的电荷捕获和晶格缺陷。

 

结论

    辐射对电子设备的影响是一个复杂的问题，涉及多种辐射效应和防护措施。通过深入理解辐射效应的机理，并采取有效的防护措施，可以显著提高电子设备在辐射环境中的可靠性和性能。

来源：Top Gun实验室

关键词： 辐射 电子设备