大气中子单粒子效应（NSEE）对机载电子设备影响的评估方法讨论

陈宇，李明，张峰



大气中子单粒子效应（NSEE）对机载电子设备影响的评估方法讨论

陈宇1，李明1，张峰2

（1.中国航空综合技术研究所，北京 100028；2.中航工业第一飞机设计研究院，西安 710089）

针对中子单粒子效应（NSEE）对机载电子设备的影响进行了深入研究，明确了对NSEE敏感的器件类型、失效模式以及典型机载电子设备受NSEE影响诱发的故障现象。在此基础上，初步提出NSEE影响评估方法及程序，进一步对NSEE影响评估的目的、评估过程中的内容及输入和输出信息进行深入探讨。

机载电子设备；中子单粒子效应；NSEE影响评估

飞机在适航高度会遭遇恶劣的大气辐射环境，使机载设备出现数据错误、功能异常及死机等故障，而大气辐射环境中对机载电子设备影响最大的成分是大气中的高能中子[1]。大气中子入射半导体器件将诱发各种扰动或损伤现象，这种现象被称为中子单粒子效应（NSEE）。NSEE严重影响机载电子设备的可靠性、维修性，甚至危及飞机的安全性这一事实已经受到国内外航空界广泛关注和重视。如美国、澳大利亚及欧洲等国家已在相关适航认证文件[2—4]中增加了关于NSEE不能危及飞机安全的要求，美军用飞机的适航认证标准[5]中也明确规定了关于NSEE的减缓要求。针对机载电子设备如何开展试验以确定其对NSEE的敏感程度，国外已经形成较为完善的试验方法[6]，国内机载电子设备生产厂家和飞机总体单位也逐步认识到NSEE的影响危害。在某型号飞机上针对关键核心共40多件机载电子设备开展了NSEE试验，试验结果表明，80%受试机载电子设备对单粒子效应非常敏感，但是NSEE对设备的影响评估方法相关报道较少，同时也缺少NSEE试验考核定量要求的制定方法。文中给合某型飞机开展NSEE工作的实际情况，对NSEE的影响进行深入研究，初步提出了NSEE影响评估方法及程序。

1 NSEE对机载电子设备的影响

1.1 受NSEE影响的器件和机载电子设备

由于器件结构及工艺特点的不同，发生单粒子效应的类型也不同，受NSEE影响的器件及其失效模式见表1[7—10]。

机载电子设备大量采用表1所述的CPU、FPGA、DSP、光耦、存储器、MOSFET以及模拟线性电路等器件，导致机载电子设备受NSEE诱发各种故障，易受NSEE影响的典型机载电子设备及其失效现象见表2[11—15]。

表1 受NSEE影响的器件及失效模式

表2 受NSEE影响的机载电子设备及故障模式

1.2 NSEE敏感性的定量表征

器件NSEE敏感性是指器件在单位粒子注量照射下发生单粒子效应的概率，其表征参数是截面，一般用表示，单位为cm2/device或cm2/bit。器件SEU的截面计算公式分别为式（1）和（2）。

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

(2)

式中：total为器件中比特位的总数量。

SEE率是指在飞行任务期间器件单位时间内发生NSEE的次数。IEC航空电子系统大气辐射效应系列标准[1,6]中推荐了一种计算过程较为简单但结果偏保守的SEE率计算公式，见公式（3）：

式中：SEE为SEE率；为任务期间中子平均注量率（单位时间、单位面积内法线方向上通过中子的个数）。

1.3 影响机载电子设备NSEE敏感性的因素

机载电子设备NSEE敏感性除了与入射粒子在半导体材料中沉积的能量及数量相关外，还取决于器件特征尺寸、单元密度、Bit数量、工作电压、工作电流、时钟频率、环境温度等因素。例如随着器件特征尺寸的减小，器件对SEU越来越敏感。相关研究表明[7]：特征尺寸为深亚微米级的器件SEU特别敏感。表3给出了工艺结构、工作条件及环境温度等因素对机载电子设备NSEE敏感性的影响规律。

表3 影响因素及其对机载电子设备NSEE的影响规律

1.4 NSEE影响的特点

与传统失效故障相比，NSEE最突出且值得引起注意的特点是不可复现性[7]。在飞行任务期间，机载电子设备受NSEE影响诱发的故障大多数为软故障，这类故障可通过复位或断电重启恢复正常。一般在地面检修过程中不易复现飞行期间发生的这类故障现象，但是NSEE诱发的故障却严重影响机载电子设备的可靠性、维修性及安全性指标要求。

2 NSEE的影响评估方法

2.1 目的

开展NSEE影响评估工作的目的是验证系统抗NSEE的能力或采取的防护/减缓措施是否可以满足相关要求，该要求来自于可靠性、维修性或安全性等定量指标要求。通过NSEE影响评估与设计改进的反复迭代，最终确保NSEE不会对系统的可靠性、维修性或安全性等指标要求造成影响。NSEE减缓措施可以是架构层设计考虑、软件设计考虑、元器件选择、或组合等措施。

2.2 程序

NSEE的影响评估一般在产品的详细设计与试验验证阶段进行。由于在详细设计阶段，此时的设计架构策略、器件选型等详细信息已经明确，可开展器件NSEE敏感性分析、设备NSEE率定量计算等工作。通过比较NSEE率与分配的允许最大故障发生概率，验证系统抗NSEE的能力或采取的防护/减缓措施是否可满足相关要求。NSEE的影响评估的程序如图1所示。

图1 NSEE的影响评估流程

2.3 主要工作内容

1）抗NSEE防护/减缓设计目标确定。设备抗NSEE防护/减缓设计目标是确保NSEE不会对设备的可靠性、维修性或安全性等指标要求造成影响。一般认为，设备NSEE率小于各种故障状态最大允许发生故障概率（FEMA率）的1/10，即达到NSEE防护/减缓设计目标，该目标也作为验证试验考核的依据。图1中的虚线框内给出了从系统至设备各种故障状态最大允许发生概率的分析程序及常用方法，涉及的常用方法包括功能危害分析（FHA）、故障树分析（FTA）、故障模式影响分析（FMEA）等。

2）器件NSEE敏感性分析。收集设备选用的器件清单，针对表1提及的器件种类，检索相关标准[1,6]推荐的数据或NASA辐射中心等权威机构发布的试验数据，填写表4中的“NSEE”和“截面”列。如果没有历史试验数据，按照表4中的第2列至第10列的项目内容收集相关信息，再参考同类器件试验数据，按照表3规定的原则进行NSEE敏感性分析，给出会发生的NSEE类别及其截面的保守估计值。

3）设备NSEE率定量计算。设备NSEE率是所选用器件发生NSEE率的总和，NSEE率的计算见式（3），其中截面值由表4提供，大气中子注量则需根据任务剖面（飞行高度、纬度等参数）代入大气中子分布模型中计算求得。由于架构层设计考虑、软件设计、元器件选择或组合等NSEE减缓措施的应用，器件NSEE有可能不会传递至设备层表现出故障，所以计算设备NSEE率时应考虑器件级和架构层次上的NSEE减缓措施，并对其有效性进行评估。评估工作可实现两个目的：其一，明确设计中的薄弱环节；其二，比较各种减缓措施的优劣，为设计改进提供输入。器件级NSEE减缓措施的选用视器件类别而定，如FPGA可采用刷新、校验码、重要位保护、冗余、表决等，架构层次上的减缓措施一般包括冗余、电流保护、复位重启等。针对所采用的减缓措施的具体应用，结合电路信息码流的实际情况，综合评估措施的有效性，按表5规定的内容进行填写。

表4 器件NSEE敏感性分析

表5 设备NSEE定量计算

3 结语

机载电子设备选用的器件功能越来越复杂，集成度越来越高，工艺尺寸越来越小，导致NSEE已成为诱发机载电子设备故障发生的主要因素。在研的新型机载电子设备及现场故障反馈信息中已经存在不可复现故障类型的应开展NSEE影响评估，明确并消除设计中的NSEE防护薄弱环节，必要时根据NSEE评估工作中确定的NSEE防护设计要求开展验证试验。

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Assessment Methods for Influences of Atmospheric Neutron Single Event Effect (NSEE) on Airborne Electronic Equipment

CHEN Yu1, LI Ming1, ZHANG Feng2

(1.AVIC China Aero Polytechnology Establishment, Beijing 100028, China;2.AVIC The First Aircraft Design and Research Institute, Xi’an 710089, China)

The effect of neutron single event effect (NSEE) on airborne electronic equipment was investigated in the paper. Type and failure mode of device that is susceptive to NSEE and faults of typical airborne electronic equipment induced by NSEE equipment were defined. On this basis, assessment method and procedure of NSEE effect evaluation were proposed to have in-depth discussion on the purpose of NSEE effect evaluation as well as content, information input and output in evaluation.

airborne electronic equipment; neutron single event effect; NSEE effect evaluation

10.7643/ issn.1672-9242.2017.06.009

TJ01

A

1672-9242(2017)06-0038-05

2017-02-14；

2017-03-14

陈宇（1981—），男，江西都昌人，硕士，高级工程师，主要研究方向为环境工程。