空間環(huán)境 宇航用電子元器件空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)

GB/TXXXX-XXXX5本文件給出了宇航用電子元器件（以下簡(jiǎn)稱元器件）空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)過(guò)程中所涉及的空間環(huán)境、空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)的一般原則、元器件空間環(huán)境效應(yīng)退化的物理機(jī)制、模擬試驗(yàn)的通用要求和試驗(yàn)裝置要求等，提出了開(kāi)展宇航用元器件空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)的建議。本文件適用于宇航用電氣、電子、電磁、機(jī)電和光電等元器件在研制、生產(chǎn)和使用等階段的空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)。2規(guī)范性引用文件準(zhǔn),僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)；不注日期的引用標(biāo)準(zhǔn),其最新版本(包括所有的修改單)適用于GB/T29079航天器軌道分類及常用參數(shù)符號(hào)GB/T30114.2空間科學(xué)及其應(yīng)用術(shù)語(yǔ)第2部分：空間物理航天器空間環(huán)境術(shù)語(yǔ)宇航用處理器器件單粒子試驗(yàn)設(shè)計(jì)與程序GB/T41543空間環(huán)境航天材料空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)通用規(guī)范GB/T42969元器件位移損傷試驗(yàn)方法GB/T4937.11-2018半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法第11部分：快速溫度變化雙液槽法GB/T4937.11-2018半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法第25部分：溫度循環(huán)GB/T17626.2電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T32452、GB/T30114.2和GB/T29079界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。電子元器件electroniccomponent電離總劑量效應(yīng)totalionisingdoseeffect電離輻射產(chǎn)生的累積電荷引起（電子）元/器件性能參數(shù)的變化。常簡(jiǎn)稱為總劑量效應(yīng)。GB/TXXXX-XXXX6低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)Enhancedlow-dose-ratesensitivity（ELDRS）在較低劑量率條件下的電離總劑量輻照損傷比在較高劑量率條件下輻照損傷嚴(yán)重的一種輻射效單粒子效應(yīng)（SingleEventEffect，SEE）單粒子閂鎖singleeventl單粒子燒毀singleevent單個(gè)粒子（質(zhì)子、中子或重離子）入射功率MOSFET等電子器件，通雪崩擊穿并燒毀器件的效應(yīng)。[GBT3495單粒子?xùn)艙舸﹕ingleeventgater層擊穿并使器件永久性失效的效應(yīng)。[GBT34956-2017單粒子瞬時(shí)干擾singleeventtr單個(gè)粒子（質(zhì)子、中子或重離子）入射模擬或數(shù)字器件，導(dǎo)致器件輸一個(gè)粒子導(dǎo)致存儲(chǔ)單元多個(gè)位的狀態(tài)改變。[GBT34956-2單粒子瞬態(tài)脈沖SingleEventT線性能量傳遞LinearenergytransfGB/TXXXX-XXXX7位移損傷（displacementdamageDD）輻射設(shè)計(jì)裕度radiationdesignmargin(RDM)靜電放電electrostaticdischarge（ESD）低氣壓放電lowpressuredischarging協(xié)同效應(yīng)synergisticeffects4縮略語(yǔ)DD位移損傷（displacementERB地球輻射帶（Earth’sradiationbelts）GCR銀河宇宙線（galacticcos5典型空間環(huán)境GB/TXXXX-XXXX8宇航用元器件面臨的典型空間環(huán)境主要有輻射環(huán)境、等離子體環(huán)境、真空環(huán)境和熱環(huán)境等。此外，在特定空間軌道和特定應(yīng)用場(chǎng)合，還面臨原子氧、強(qiáng)磁場(chǎng)（例如，木星軌道）和濕氣環(huán)境等。5.2空間輻射空間輻射包括天然輻射和人為輻射。天然輻射包括行星輻射帶（例如ERB、木星輻射帶、金星輻射帶）、銀河宇宙線和太陽(yáng)宇宙線。人為輻射主要為核動(dòng)力航天器反應(yīng)堆的核輻射環(huán)境。典型軌道宇宙線LET譜見(jiàn)附錄A。5.3空間等離子體近地空間等離子體主要包括太陽(yáng)風(fēng)等離子體、磁層等離子體和電離層等離子體等。5.5.1極端溫度地球軌道航天器內(nèi)部溫度一般控制在5℃~10℃范圍內(nèi)，航天器內(nèi)部典型最大溫度控制范圍為-10℃~+55℃。工作在航天器外部的元器件以及深空探測(cè)器用元器件，可能面臨極端高溫或極端低溫。例如，火星探測(cè)器外部的元器件接近火星表面條件，最低和最高溫度分別為-125℃和+25℃,土衛(wèi)二表面任務(wù)遇到的平均溫度為-145℃。航天器飛行任務(wù)遇到熱循環(huán)環(huán)境。5.6原子氧中性大氣軌道高度為200km～700km，其中，原子氧為其主要成份?？臻g中的原子氧以熱運(yùn)動(dòng)的形式存在，LEO軌道運(yùn)行的航天器以8km/s的左右速度運(yùn)行，原子氧與其表面的撞擊能量約為5eV左右，束流密度可達(dá)到1014atoms/cm2/s量級(jí)。GB/TXXXX-XXXX95.7空間磁場(chǎng)地球附近主要的空間磁場(chǎng)有太陽(yáng)磁場(chǎng)、行星際磁場(chǎng)、地球磁場(chǎng)。太陽(yáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度約為1~5高斯（Gs地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.25Gs~0.65Gs，木星存在強(qiáng)磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度是地球的14倍，木星的磁場(chǎng)范圍從赤道的4.2Gs到極區(qū)的10Gs~14Gs。載人航天器內(nèi)部的濕度一般控制在30%~70%范圍內(nèi)。6空間環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)總則6.1空間環(huán)境對(duì)元器件的影響表1元器件空間環(huán)境效應(yīng)環(huán)境效應(yīng)航天器軌道元器件類型元器件在航天輻射環(huán)境TID效應(yīng)所有軌道所有元器件所有位置DD效應(yīng)太陽(yáng)電池、光電器件、雙極器件。等離子體環(huán)境所有器件所有位置真空環(huán)境所有軌道有機(jī)材料逸氣：載人環(huán)境真空冷焊機(jī)械繼電器、接插件低氣壓放電極端溫度所有軌道所有器件所有位置暴露航天器外部載人航天器所有器件/磁場(chǎng)干擾木星軌道磁敏感器件/6.1.2空間輻射對(duì)元器件的影響元器件在空間輻射環(huán)境中會(huì)發(fā)生輻射效應(yīng)，包括TID效應(yīng)、SEE和DD效應(yīng)。元器件輻射效應(yīng)敏感性與元器件類型和工藝有關(guān)。典型器件輻射效應(yīng)見(jiàn)附錄B。6.1.3空間等離子體對(duì)元器件的影響GB/TXXXX-XXXX等離子體帶來(lái)靜電放電，靜電損傷會(huì)影響器件可靠性。通常情況下，所有器件需要進(jìn)行靜電敏感度試驗(yàn)評(píng)估。6.1.4真空對(duì)元器件的影響釋氣在真空環(huán)境中，元器件將產(chǎn)生真空釋氣，元器件表面涂覆將不斷氣化、釋放，降低了元器件本身的保護(hù)作用，對(duì)周邊元器件或環(huán)境氣氛帶來(lái)不利影響。應(yīng)分析應(yīng)用狀態(tài)，確定是否需要進(jìn)行真空釋氣試驗(yàn)，下列情況下，需要進(jìn)行釋氣試驗(yàn)：a）應(yīng)用于載人工作環(huán)境；b）應(yīng)用于攝像探頭環(huán)境；真空冷焊處于真空中的非密封機(jī)械繼電器、具有插拔功能的接插件等還有可能產(chǎn)生“真空冷焊”失效，需要進(jìn)行真空冷焊試驗(yàn)。低氣壓放電高壓器件存在低氣壓放電失效可能，需要進(jìn)行低氣壓放電試驗(yàn)。6.1.5熱對(duì)元器件的影響極端溫度對(duì)元器件的影響溫度循環(huán)對(duì)元器件的影響溫度循環(huán)會(huì)引起電子器件封裝材料應(yīng)力損傷，需要進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。6.1.6原子氧對(duì)元器件的影響原子氧會(huì)對(duì)暴露在航天器最外層的材料或器件產(chǎn)生化學(xué)侵蝕效應(yīng)，主要危害熱控涂層、復(fù)合結(jié)構(gòu)材料及部分光學(xué)材料等。對(duì)工作在中性大氣軌道航天器表面的電線電纜等需要評(píng)估原子氧的影響。6.1.7空間磁場(chǎng)對(duì)元器件的影響大部分航天器軌道的磁場(chǎng)比較弱，不會(huì)引起元器件性能變化。磁敏感器件運(yùn)行在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境時(shí)，例如木星存在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，需考慮磁場(chǎng)的影響。6.1.8濕氣對(duì)元器件的影響載人航天器內(nèi)部存在濕氣環(huán)境，會(huì)在元器件表面或縫隙中產(chǎn)生霉菌，進(jìn)而影響元器件的性能。6.1.9空間環(huán)境對(duì)元器件的協(xié)同效應(yīng)GB/TXXXX-XXXX空間環(huán)境復(fù)雜，多環(huán)境因素可能同時(shí)作用于元器件，例如，工作在航天器外部的元器件會(huì)同時(shí)受到輻射效應(yīng)和極端溫度環(huán)境的影響，有可能引起協(xié)同效應(yīng)。6.2空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)原則開(kāi)展元器件空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)原則如下：a）應(yīng)對(duì)空間環(huán)境效應(yīng)敏感的元器件進(jìn)行空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)；確定模擬試驗(yàn)需求；c）盡量選擇加速試驗(yàn)方法，提高效率；d）通常對(duì)不同的空間環(huán)境效應(yīng)分別進(jìn)行模擬試驗(yàn)。6.3空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)流程空間環(huán)境及效應(yīng)分析（6.3.2）試驗(yàn)方案制定（6.3.3）試驗(yàn)實(shí)施（6.3.4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（6.3.5）圖1器件空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)基本流程a）試驗(yàn)?zāi)康模籦）器件的類別、名稱、型號(hào)、封裝形式、制造商、樣品提供單位，器件數(shù)；GB/TXXXX-XXXXd）模擬環(huán)境應(yīng)力條件；e）器件施加壓力條件；f）試驗(yàn)步驟；g）電測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試條件及判據(jù)；h）電測(cè)試方式（原位測(cè)試還是移位測(cè)試），電測(cè)試設(shè)備名稱；i）試驗(yàn)故障及應(yīng)急預(yù)案。6.3.4試驗(yàn)實(shí)施根據(jù)6.3.3開(kāi)展試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄試驗(yàn)參數(shù)6.3.5試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析a）滿足b）不滿足6.3.6試驗(yàn)報(bào)告編制應(yīng)根據(jù)空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)結(jié)果，編寫試驗(yàn)報(bào)告，應(yīng)至a）試驗(yàn)報(bào)告編號(hào)；b）試驗(yàn)單位；c）試驗(yàn)名稱、試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)日期；d）被試器件描述：器件的類別和名稱、質(zhì)量等級(jí)、批次、數(shù)量、封裝形式、生產(chǎn)單位、器件編e）試驗(yàn)設(shè)備描述：輻照源的種類、所屬單位、電參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)；f）試驗(yàn)條件：包括環(huán)境條件和器件施加應(yīng)力條件；g）試驗(yàn)中測(cè)量的器件參數(shù)及規(guī)定值、測(cè)量方法及各個(gè)試驗(yàn)步驟中的測(cè)量結(jié)果；h）試驗(yàn)中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象及分析；k）試驗(yàn)報(bào)告簽署。7空間環(huán)境效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)要求7.1電離總劑量效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)要求GB/TXXXX-XXXX引起元器件電離總劑量效應(yīng)的輻射帶電子、輻射帶質(zhì)子、太陽(yáng)質(zhì)子等在空間是能譜分布，地面難以真實(shí)再現(xiàn)，因此，地面電離總劑量效應(yīng)試驗(yàn)一般是基元器件電離總劑量輻照后的性能退化與試驗(yàn)過(guò)程中的劑量率、偏置狀態(tài)、試驗(yàn)溫度以及退火處輻射在MOS器件介質(zhì)層中產(chǎn)生電子-空7.1.3敏感器件某些類型的雙極晶體管在接受低劑量率照射時(shí)的損傷程度甚至比接受高劑量率(>100rad(Si)/s)a）地面電離總劑量評(píng)估試驗(yàn)是抽樣進(jìn)行的破壞性試驗(yàn)，被試器件7.1.5試驗(yàn)裝置b）電子槍或電子加速器：電子也是一種可選擇的輻7.1.6參考標(biāo)準(zhǔn)GB/TXXXX-XXXX7.2單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)要求空間質(zhì)子可通過(guò)核反應(yīng)產(chǎn)物引起單粒子效應(yīng)，其他離子可通過(guò)直接電離引起單粒子效應(yīng)。離子直接電離引起的單粒子效應(yīng)與離子的LET有關(guān)，與單個(gè)離子（粒子）入射半導(dǎo)體器件敏感區(qū)過(guò)程中沉積能量，瞬間產(chǎn)生大量載流子，進(jìn)而被器件7.2.3敏感器件7.2.5試驗(yàn)裝置a）加速器：直線加速器、串列靜電加速器、回旋加速GB/TXXXX-XXXX7.2.6參考標(biāo)準(zhǔn)7.3位移損傷效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)要求航天器內(nèi)部的元器件的位移損傷主要是質(zhì)子引起的。電子對(duì)位于航天器外面的太陽(yáng)電池產(chǎn)生不通常采用效應(yīng)等效的方法，選用單一或數(shù)個(gè)能量質(zhì)子或者中子進(jìn)行元器件位移效應(yīng)地面模擬試高能粒子入射后在半導(dǎo)體器件內(nèi)部與晶格原子的原子核發(fā)生彈性碰撞，晶格原子得到能量發(fā)生缺陷可以在半導(dǎo)體禁帶中引入附加能級(jí)，增加少子與多子復(fù)合率，降低少子壽命，可以束縛多7.3.3敏感器件易受位移損傷影響的器件包括光電探測(cè)器、光發(fā)射二極管、太陽(yáng)能電池、光耦、光發(fā)射器件、精密雙極型器件等。位移損傷引起的典型器件性能損傷特征見(jiàn)表2。表2位移損傷引起的典型器件損傷特征GB/TXXXX-XXXX7.3.5試驗(yàn)裝置7.3.6參考標(biāo)準(zhǔn)7.4熱效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)要求地球軌道航天器內(nèi)部溫度范圍一般為-10℃~+55℃,航天器艙外溫度范圍一般為-120℃~+150℃。//GB/TXXXX-XXXX7.4.3敏感器件7.4.4試驗(yàn)裝置典型試驗(yàn)裝置包括：7.4.5參考標(biāo)準(zhǔn)7.5靜電敏感性地面模擬試驗(yàn)要求7.5.3敏感器件7.5.4試驗(yàn)裝置GB/TXXXX-XXXX7.5.5參考標(biāo)準(zhǔn)b）ANSI／ESDS20.20美國(guó)國(guó)家靜電放電控制標(biāo)準(zhǔn)7.6釋氣地面模擬試驗(yàn)要求7.6.3敏感器件7.6.4試驗(yàn)裝置7.6.5參考標(biāo)準(zhǔn)7.7真空冷焊地面焊模擬試驗(yàn)要求GB/TXXXX-XXXX7.7.3敏感器件7.7.4試驗(yàn)裝置在超高真空環(huán)境下快速實(shí)現(xiàn)高、低溫的熱交換；c）可在超高真空環(huán)境下進(jìn)行分離力的7.7.5參考標(biāo)準(zhǔn)7.8原子氧侵蝕效應(yīng)模擬試驗(yàn)要求7.8.3敏感器件7.8.4試驗(yàn)裝置7.8.5參考標(biāo)準(zhǔn)GB/TXXXX-XXXX7.9低氣壓放電地面模擬試驗(yàn)要求7.9.3敏感器件7.9.4試驗(yàn)裝置7.9.5參考標(biāo)準(zhǔn)無(wú)7.10元器件空間環(huán)境協(xié)同效應(yīng)地面模擬要求應(yīng)考慮空間環(huán)境協(xié)同效應(yīng)對(duì)元器件的影響，下面的空間環(huán)境的協(xié)同效應(yīng)需給予充分考慮：a）溫度+帶電粒子；溫度對(duì)電離總劑量效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)的影響。b）帶電粒子效應(yīng)的相互影響電離總劑量對(duì)單粒子效應(yīng)可能的影響。GB/TXXXX-XXXX典型航天器軌道宇宙線LET譜1.0E+091.0E+071.0E+05粒子通量粒子通量[個(gè)/(m2.sr.s)]1.0E+011.0E-011.0E-031.0E-05500*500km(SSO)750*750km(SSO)24000*24000km(MEO)36000*36000km(GEO)36000*300km(HEO)探月軌道01LET[Me0cm2/mg]1001000GB/TXXXX-XXXX器件輻射敏感性分類集成電路輻射效應(yīng)類型見(jiàn)表B1，半導(dǎo)體分立器件輻射效應(yīng)類型見(jiàn)表B2，半導(dǎo)體光電器件輻射效應(yīng)類型見(jiàn)表B3。單片集數(shù)字集成電路模擬集成電路微型計(jì)算機(jī)SEFI（只對(duì)NAND型接口集成電路數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器、模/數(shù)(A/D)GB/TXXXX-XXXX微波單片集專用單片集霍爾集成電路其它單片集其它輻射效應(yīng)需具體分析混合集通用混合集專用混合集其它輻射效應(yīng)需具體分析微波混合集其它混合集根據(jù)內(nèi)部元器件輻射效塊根據(jù)內(nèi)部元器件輻射效微組裝件根據(jù)內(nèi)部元器件輻射效GB/TXXXX-XXXX半導(dǎo)體分立器件檢波二極管、整流二極管、開(kāi)關(guān)二極管、電壓調(diào)整二極管、電流調(diào)整二極管、電壓基準(zhǔn)二極管、變?nèi)荻O管、瞬態(tài)電壓抑制二極管、單結(jié)晶體管、橋式整流器、/微波檢波二極管、微波混頻二極管、微波變?nèi)荻O管、微波開(kāi)關(guān)二極微波雪崩二極管、微波隧道二極管、微波PIN二極管、微波階躍恢復(fù)二極管、其它微波二極管高頻小功率晶體管、小功率開(kāi)關(guān)晶體管、高反壓小功率晶體管、低頻大功率晶體管、高頻大功率晶體管、大功率開(kāi)關(guān)晶體管、達(dá)林頓晶體/微波雙極型晶體管、微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管、其它GB/TXXXX-XXXX件根據(jù)內(nèi)部元器件輻射效應(yīng)敏感根據(jù)內(nèi)部元器件輻射效應(yīng)敏感輻射效應(yīng)需具體根據(jù)內(nèi)部元器件輻射效應(yīng)敏感輻射效應(yīng)需具體/GB/TXXXX-XXXX輻射效應(yīng)需具體///根據(jù)內(nèi)部元器件輻射效應(yīng)敏感GB/TXXXX-XXXX參考文獻(xiàn)[1]GB/T29079航天器軌道分類及常用參數(shù)符號(hào)[2]GB/T30114.2空間科學(xué)及其應(yīng)用術(shù)語(yǔ)第2部分：空間物理[3]GB/T32452航天器空間環(huán)境術(shù)語(yǔ)[4]GB/T39343宇航用處理器器件單粒子試驗(yàn)設(shè)計(jì)與程序[5]GB/T41543空間環(huán)境航天材料空間環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)通用規(guī)范[6]GB/T42969元器件位移損傷試驗(yàn)方法[7]GB/T4937.11-2018半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法第11部分：快速溫度變化雙液槽法[8]GB/T4937.11-2018半導(dǎo)體器件機(jī)械和氣候試驗(yàn)方法第25部分：溫度循環(huán)[9]GB/T17626.2電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)[10]ANSI／ESDS20.20美國(guó)國(guó)家靜電放電控制標(biāo)準(zhǔn)[11]ASTMF1192Standar