航空电子设备大气中子单粒子效应故障率预计方法

陈冬梅，严拴航，白桦，孙旭朋，底桐，王群勇

（1.北京圣涛平试验工程技术研究院有限责任公司，北京 100089；2.航空工业第一飞机设计研究院，西安 710089）

引言

航空电子设备从起飞、巡航至降落的整个飞行过程，会穿越大气层内充满高能大气中子的辐射环境。在这个飞机日常工作的辐射环境中，航空电子设备中关键指令与关键数据的底层执行半导体集成电路（如CPU、FPGA、DSP、SRAM或DRAM），容易产生1变0或0变1的基本错误现象。理论界与工业界借用航天领域的单粒子效应（SEE，Single Event Effect），也称之为单粒子效应（SEE）。但是，由于航空电子设备遭遇的辐射源是不带电的大气中子，而航天领域电子系统遭遇的辐射源是带电的重离子与质子，两者机理不完全相同，因此，航空界又通常称之为中子单粒子效应（NSEE，Neutron Single Event Effect）。

虽然航空电子设备关键指令与关键数据的底层执行半导体集成电路，其本身对大气中子的辐射环境敏感，具有不可避免的本征敏感物理属性，但是，由于2005年以前，其使用数量大约以M（106）bit为单位，这些半导体集成电路在应用中产生中子单粒子效应的概率并不太高。随着先进航空电子设备的智能化、模块化、集成化的提升，这些敏感半导体集成电路的使用数量达到G（109）甚至T（1012）bit，这些半导体集成电路产生中子单粒子效应的概率就越来越高。并且由于航空电子设备的复杂程度大幅提升，由单粒子效应的基本错误现象，传递至设备甚至系统，导致灾难性或危害性故障的可能性就越来越大，飞机的可靠性与安全性受到严重威胁。飞机的维修性与可用性也随之遭受相应影响[1-11]。

在航空电子设备的工程应用实践中，越早清楚航空电子设备的抗中子单粒子效应能力，及时改进设计，保障飞机的安全性与可用性，优化航空电子设备的可靠性与维修性，则可以大大减少事后发现故障并修正修复的昂贵代价。因此，航空电子设备大气中子单粒子效应故障率预计方法是在飞机的全寿命周期过程中及时发现这一问题的必要定量计算工具[29-40]。

1 大气中子单粒子效应故障率预计方法现状

国际电工委员会航空电子过程管理技术委员会IEC TC 107由波音、空客等航空工业巨头于2000年成立。2003年就开始起草编制IEC 62396-1《大气中子单粒子效应的应对策略》，2006年正式发布。至今，IEC 62396的系列标准的状态如下：

IEC 62396-1：航空电子设备过程管理——大气辐射效应——第1部分：航空电子设备单粒子效应大气辐射效应的应对策略

IEC 62396-2：航空电子设备过程管理——大气辐射效应——第2部分：航空电子系统单粒子效应试验指南

IEC 62396-3：航空电子设备过程管理——大气辐射效应——第3部分：大气辐射单粒子效应（SEE）系统优化设计

IEC 62396-4：航空电子设备过程管理——大气辐射效应——第4部分：高压航空电子设备潜在单粒子效应防控设计

IEC 62396-5：航空电子设备过程管理——大气辐射效应——第5部分：航空电子系统热中子注量率及单粒子效应评估

IEC TR 62396-6：航空电子设备过程管理——大气辐射效应——第6部分：极端空间天气对航空电子环境和电子产品的潜在影响

IEC TR 62396-7：航空电子设备过程管理——大气辐射效应——第7部分：航空电子设计中单粒子效应分析过程管理

IEC TR 62396-8：航空电子过程管理——大气辐射影响——第8部分：航空电子系统中质子、电子、介子、μ介子注量率及单粒子效应评估（正在编制）

IEC TR 62396-9：航空电子过程管理——大气辐射影响——第9部分：航空电子设备单粒子效应故障率预计方法（正在投票）

并且，IEC 62396-1的要求，已经纳入2018年波音、空客等对其供应链航空航天国防高性能电子元器件的管理计划（ADHP ECMP）IEC 62239-2018，成为保障航空电子设备符合DO 254的基础程序与认证方法。我国也已于2019年形成了相应的国家标准GB/T 37312.1-2019《航空航天、国防及其他高性能应用领域（ADHP）电子元器件第1部分：高可靠集成电路与分立半导体器件通用要求》[9]，要求考虑相应的大气中子单粒子效应的国家标准GB/T 34956-2017《大气辐射影响航空电子设备单粒子效应防护设计指南》[10]，GB/T 34955-2017《大气辐射影响航空电子系统单粒子效应试验指南》[11]。

为此，可以看出，事实上，波音、空客等航空工业巨头，将严格控制大气中子单粒子效应的责任，作为DO 254《机载电子设备硬件的设计保证指南》等的符合性要求，下移至其供应链，并且提供了IEC 62396系列标准这一套框架性的应用方法。霍尼威尔非常重视，主导编制了IEC TR 62396-7在设计中管理SEE的方法与程序。但是，尽管如此，在这一套方法中，唯独缺少航空电子设备大气中子单粒子效应故障率预计方法。我国的技术专家团队，在多年跟随IEC 62396系列标准编制的过程中，发现了这一短板，并通过多年的知识产权积累[12-26]，形成了这一核心技术，2015年在捷克，提出了在IEC TC 107技术委员会中由中国主导提出的第一个国际标准IEC TR 62396-9的编制申请。经过多年的努力，2018年经过IEC TC107年会讨论决议，纳入了PWI计划。2019年由中国国家标准委员会正式向IEC TC 107提出了投票申请。

2 航空电子设备NSEE故障率预计方法

2.1 目的与适用范围

2.1.1 目的

航空电子设备（以下简称“设备”）大气中子单粒子效应故障率的预计方法，可在航空电子设备的过程管理中，为器件、功能板、设备遭受的大气辐射危害提供定量评估。包括单粒子效应故障率预计模型和预计程序。

2.1.2 适用范围

本方法适用于在海拔高度约2.5万米以下的航空电子设备大气中子单粒子效应故障率预计，可以应用于设备设计、开发、试验和维护等过程。包括简单预计程序和详细预计程序。

简单预计程序适用于初步设计阶段，已知信息少。详细预计程序适用于研制阶段，产品已具有详细器件清单以及相应试验数据，设计过程中采取了中子单粒子效应减缓措施，已知任务大气中子辐射应力等。

2.2 计算原理

2.2.1 设备单粒子效应总故障率预计模型

大气中子辐射导致的设备总故障率预计模型如（1）所示[8]。

式中：

λSEE—设备NSEE故障率（h-1）。

λsoft－fault—设备NSEE软故障率（h-1）。

λfirm－fault—设备NSEE固定故障率（h-1）。

λhard－fault—设备NSEE硬故障率（h-1）。

理论上，本模型可用于支撑 IEC 62396-1和IEC TR 62396-7中整个设备涉及的各类单粒子效应故障率的计算。目前，主要考虑了SEU、SET、SEFI与SEB效应。设备软故障率预计模型没有考虑MCU与MBU。设备的硬故障率模型没有考虑SEGR和SHE效应，主要原因是缺少数据。然而，随着IEC 62396-1、2、3、4、5、6、7、8、9系列标准的编制完善更新，只要有足够的测试数据，这四类数据就可以纳入模型计算。

2.2.2 设备软故障率计算方法

大气中子辐射导致的设备软故障率计算方法如（2）所示。

式中：

ΠSEU－i—针对器件i的SEU的防护因子（无量纲），取值范围（0，1]。

ΠSET－i—针对器件i的SET防护因子（无量纲），取值范围（0，1]。

Πused—该器件资源利用率因子（无量纲），取值范围（0，1]，该值为使用的存储位数除以器件总的存储位数。

λSEU－i—第i个器件的SEU率（h-1）。其计算公式如（3）所示。

λSET－i—第i个器件的SET率（h-1）。其计算公式如（4）所示。

式中：

f—大气中子辐射注量率（#/cm2·h）。

σSEU-i—第i个器件SEU截面（cm2/device）。

σSET-i—第i个器件SET截面（cm2/device）。

器件的SEU截面与实际使用的存储位数相关，计算公式如（5）所示。

式中：

σSEU－i—器件的SEU截面。

σSEU－bit—器件每存储位的SEU截面（cm2/bit）。

Mbit—该器件的总存储位数（bit）。

2.2.3 设备固定故障率计算方法

大气中子辐射导致的设备固定故障率计算方法如（6）所示。

式中：

λfirm－fault—由SEFI和SEL在设备上引起的设备固定故障率（h-1）。

λfirm－SEL－i—第i个器件的大气中子SEL率（h-1），且该器件采取了限流防护措施。其计算公式如（7）所示。

λSEFI－i—第i个器件的大气中子SEFI率（h-1）。其计算公式如（8）所示。

ΠSEL－i—第i个器件的大气中子SEL防护因子（无量纲），取值0或1，有防护为1，无防护为0。

式中：

f—大气中子辐射注量率（#/cm2·h）。

σSEFI－i—第i个器件SEFI截面（cm2/device）。

2.2.4 设备硬故障率计算方法

大气中子辐射导致的设备硬故障率计算方法如下式所示。

式中：

ΠSEB－i—通过对设备i进行降额处理的SEB减缓因子。无缓解取1，有缓解取0

λhard－SEL－i—第i个器件的大气中子SEL率（h-1），且该器件未采取限流防护措施。其计算公式如（10）所示。

λSEB－i—第i个器件的大气中子SEB率（h-1）。其计算公式如（11）所示。

式中：

f—大气中子辐射注量率（#/cm2·h）。

σSEL－i—第i个器件SEL截面（cm2/device）。

3 计算程序

3.1 简单预计程序

设备单粒子效应故障率简单预计程序适用于初步设计阶段。已知少量信息。

3.1.1 确定大气中子注量率典型值

以高度12.2 km，北纬45 °，10 MeV以上大气中子的注量率值为6 000/cm2·h进行计算[1]。

3.1.2 确定单粒子效应敏感器件清单

表1 简单预计程序某设备单粒子效应敏感器件清单

表1为某设备单粒子效应敏感器件清单模板，基本信息包括器件、CCA、器件类型、器件数量、总存储容量等信息，附表1[39]可以帮助识别SEE敏感类型。

3.1.3 敏感器件单粒子效应截面典型值

表2给出了特征尺寸在90～120 nm之间的敏感器件的平均截面值，该值参考了IEC 62396-1中的数据源，并得到了真实的试验数据支持。不在表内的敏感器件类别，可以根据经验带入典型值或者取0。

3.1.4 计算设备软故障率

设备软故障率根据公式（2）（见2.2.2）进行计算。其中资源利用率因子取值为1。软故障传递率因子的经验取值范围为1/100～1/10，推荐值1/52[12-14]。SEU、SET防护因子取值为1。

3.1.5 计算设备固定故障率

设备固定故障率根据公式（6）（见2.2.3）进行计算。SEL防护因子取0。

3.1.6 计算设备硬故障率

设备硬故障率根据公式（9）（见2.2.4）进行计算。SEL防护因子取0。

3.1.7 计算设备总故障率

设备总故障率根据公式（1）（见2.2.1）进行计算。对3.1.4、3.1.5、3.1.6计算的结果求和，获得设备单粒子效应总故障率。

3.2 详细预计程序

设备单粒子效应故障率详细预计程序适用于研制阶段。产品已具有详细器件清单以及相应试验数据，设计过程中采取了中子单粒子效应减缓措施，已知任务大气中子辐射应力等。

3.2.1 飞行航线的大气中子平均注量率计算

大气中子平均注量率的计算如（12）式所示：

式中：

fav—大气中子辐射平均注量率（#/cm2·h）。

大气中子注量如（13）所示：

表2 敏感器件单粒子效应截面典型值

式中：

t1—起飞前通电开始时间（h）。

t2—降落后关机时间（h）。

f(x(t)，y(t)，z(t))—飞机在T时刻，位置在x，y，z处的大气中子注量率（#/cm2·h）。

x—经度（°）；

y—纬度（°）；

z—高度（m）；

Fluence——飞行航线大气中子注量（#/cm2）。

flux(x(t)，y(t)，z(t))的计算，可参照 Boeing模型[28]、NASA模型[32]及修正模型[15-18]进行计算。

对于特定的飞行航线，用户可以依据任务的重要程度，选择采用公式（12）的平均注量率，或采用峰值注量率，或IEC 62396-1推荐典型值注量率6 000 n/cm2·h[1]，或极端太阳活动下的ESW中子注量率（详见IEC TR 62396-6[6]）。

3.2.2 确定单粒子效应敏感器件清单

单粒子效应敏感器件列表由附表1[39]对某一设备的电子器件列表进行筛选得到。敏感设备列表描述了设备中有多少个CCAs，每个CCAs中有多少个电子器件，以及电子器件的一般信息，包括设备类型、制造商、数量、工艺信息、使用资源和防护情况，如表3所示。表3基于IEC TR 62396-7修改形成，所以可以支持IEC TR 62396-7[7]，[33]。

3.2.3 获取敏感器件单粒子效应截面

可按以下优先级获得敏感器件的大气中子辐射截面数据。

1）针对已开展的14 MeV单能中子、散列中子等高能中子源[34][37]进行的单粒子效应试验，以试验数据为准获取单粒子效应类型和相应的截面数据，可以参考IEC 62396-1标准，或查询下列数据库。

①a.NASA戈达德中心辐射数据库（Http：//radhome.gsfc.nasa.gov/radhome/parts.htm）；

②NASA喷气推进实验室单粒子效应数据库（Http：//radnet.jpl.nasa.gov/SEE.htm）；

③NASA喷气推进实验室质子单粒子效应数据库（Http：//radnet.jpl.nasa.gov/Compedi/P/ProtonSeeCompendium.htm）；

④ ESA 辐 射 数 据 库（Http：//www.escies.org/public/radiation/database.html）。

2）可以利用FOM方法[35，36]，将敏感器件重离子试验的截面数据转化成中子单粒子效应截面数据。大气中子单粒子效应截面公式如（15）式所示。

式中：

σn—为中子单粒子敏感截面，单位为cm2。

FOM——品质因子如下式所示。

式中：

LETth—重离子单粒子效应阈值（MeV·cm2/mg）；

L0.25—重离子单粒子试验饱和截面25 %时对应的LET值（MeV·cm2/mg）；

—重离子单粒子试验饱和截面（cm2）；

w—重离子单粒子试验威布尔拟合尺度因子（无量纲）；

s—重离子单粒子试验威布尔拟合形状因子（无量纲）。

有关特定类型器件的特定单粒子效应的SEE截面数据的保守估计，请参阅IEC 62396-1了解更多信息。

表3 某设备单粒子效应敏感器件清单

注：虽然不推荐质子或重离子空间辐射数据，但这些数据在初始设计状态下总比没有好。

3.2.4 计算设备软故障率

根据2.2.2节公式（2）进行计算。

SEU防护因子，经验方法有防护取0，否则为1。防护措施包括：奇偶校验码、ECC/EDAC[29，30]等。SET缓解因子经验取0，无缓解取1。软故障传递率因子，经验的取值范围为1/100～1/10，推荐值1/52[12-14]。

3.2.5 计算设备固定故障率

根据2.2.3公式（6）进行计算。注意此处的SEL效应只包括采取了限流防护措施的SEL效应。

3.2.6 计算设备硬故障率

根据公式2.2.4公式（9）进行计算。注意此处的SEL效应只包括未采取防护措施的SEL效应。

3.2.7 计算设备总故障率

根据2.2.1公式（1）进行计算。对3.2.4、3.2.5、

3.2.6 计算结果求和，获得设备单粒子效应总故障率。

4 计算案例

4.1 研究对象

某机载卫星导航接收机（如图1），无冗余。该设备包括数字下变频器、数字基带处理器、软件求解器等模块，实时给出导航设备的位置和速度信息，该试验件是一个商用飞机的电器性能模型[19-26]。

单粒子效应的敏感分析：该设备使用的1个DSP、1个SRAM和2个SRAM型FPGA为敏感器件。该设备的敏感器件未采取防护措施。

该设备参照IEC 62396-2于中国原子能科学研究院采用14 MeV单能中子源开展试验验证。试验累计注量为1.011×109/cm2，监测到死机、无定位和定位超差等错误28次（具体数据见表4）[38]。

图1 卫星导航接收机功能

然后采用简单预计程序和详细预计程序对设备的可见故障率进行预计。

4.2 简单预计程序（数据来源：IEC 62396-1）

在该设备的初步设计阶段，设计者只能获得设备类别和所需设备数量的信息，而对具体的器件型号、工艺等详细信息没有了解。因此DSP、SRAM、FPGA等器件的单粒子效应截面可以参照表2。

以高度12.2 km，北纬45 °，10 MeV以上大气中子注量率的国际典型值6 000/ cm2·h，每个设备的防护因子取1进行计算（见表5），则：

1）当软故障传递率为1/52时，该设备软故障率预计值为7.858E-05 h-1；

2）该设备的固定故障率预计值为2.568E-05 h-1；

3）该设备的硬故障率预计值为5.280E-05 h-1；

4）该设备总故障率预计值为1.571E-04 h-1。

4.3 详细预计程序——（数据来源：IEC 62396-1）

在该设备的研制阶段，已经知道详细的器件清单、资源利用率、防护措施等情况，采用详细方法进行单粒子效应故障率的预计时，DSP、SRAM、FPGA器件参照IEC 62396-1获取中子单粒子效应截面数据。取大气中子注量率6 000/cm2·h进行计算，高度12.2 km，北纬45 °，10 MeV以上，每个设备的防护因子取1进行计算（见表6）则：

1）当软故障传递率为1/52时，该设备的软故障主要由SEU引起，则计算出的设备软故障率为6.990E-04 h-1；

2）该设备的固定故障主要由设备SEFI引起，则其固定故障率为2.720E-05 h-1；

3）该设备的硬故障主要由SEL引起，则其硬故障率预计值为5.526E-05 h-1；

4）该设备总故障率预计值为7.815E-04 h-1。

表4 导航接收机中子辐照试验数据

表5 简单预计程序卫星导航接收机单粒子效应故障率

表6 详细预计程序（经验公式）卫星导航接收机单粒子效应故障率

4.4 详细预计程序——（数据来源：高能中子试验历史数据）

在该设备的研制阶段，已经知道详细的器件清单、资源利用率、防护措施等情况，采用详细预计程序进行单粒子效应故障率的预计时，其中FPGA、DSP和SRAM的器件中子单粒子效应截面来源于XILINX公开发布的试验数据。取大气中子注量率6 000个/cm2·h，高度12.2 km，北纬45 °，10 MeV以上，每个设备的防护因子取1进行计算（见表7），则：

1）当软故障传递率为1/52时，该设备的软故障故障主要由SEU引起，则计算出的设备软故障率为9.053E-5h-1；

2）由于在对DSP,SRAM与FPGA等器件的测试中没有发现SEFI与SEL的影响，该设备的固定故障和硬故障的故障率预计值为0 h-1；

3）该设备总故障率预计值为9.053E-5 h-1。

4.5 设备地面试验数据分析（数据来源：14 MeV设备级试验）

设备的SEE故障率评估结果结合该设备地面试验数据如表4所示，引用标准IEC 62396-1按中子注量率6 000/cm2·h进行计算,卫星导航接收机的结果总结如表8所示。

1）该设备的软故障率评估值为1.246E-4 h-1。

2）该设备的固定故障率评估值为4.154E-5 h-1。

3）该设备的硬故障率评估值为0 h-1。

4）该设备的总故障率评估值为1.661E-4 h-1。

评估案例表明，使用简单预计程序与设备级试验结果相差-5.42 %，详细预计程序采用IEC 62396-1的10年以前的数据，相差+370.50 %，详细预计程序采用我们自己的历史试验数据相差-45.50 %。因此，须谨慎采用IEC 62396-1的10年以前的数据，须尽量采用我们自己的国内历史试验数据验证，以尽量掌握数据内涵的一致性。

5 结论

本文以卫星导航接收机为例，提出了航空电子设备单粒子效应故障率预计模型与程序。结论如下：

1）航空工业界迫切需要航空电子设备大气中子单粒子效应故障率预计方法，为早发现、早防护提供了一套定量分析工具。

2）本文模型基于公开发布资料，有关模型参数的确定均来源于试验经验值，并经实例验证。

表7 详细预计程序（试验数据）卫星导航接收机单粒子效应故障率

表8 预计值与试验评估值对比

附表1 敏感器件单粒子效应[39]

3）具有冗余架构和特殊架构的电子设备大气中子单粒子效应故障率预计方法不在本文考虑范围之内。

4）本文团队一直持续关注相关技术发展，例如由于半导体器件工艺尺寸的缩小，MCU效应日益严重，是未来设计防护的重点。本文将根据技术发展情况选择合适的时机进行修订。

附表1（资料性）敏感器件单粒子效应引起的故障分类[40]

不同器件与工艺类型的单粒子效应敏感特性类型见附表1。