航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法技术

本发明专利技术公开一种航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，该方法包括故障物理分析、建立空间辐射相关故障信息矩阵并分类收集所述物理模型的参数、单粒子效应仿真、总剂量效应仿真、位移损伤效应仿真、以及考虑空间故障机理间的相互关系，分析单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应单独作用下的被测器件仿真寿命，获得被测器件在空间辐射环境效应共同作用下的失效寿命。本发明专利技术是从故障机理的角度，针对航天电子产品空间辐射相关的可靠性展开研究，提出一套基于仿真分析的评估航天电子产品空间辐射可靠性的方法，使设计者能够在设计阶段就对产品的空间辐射可靠性水平直观了解，从而为产品的设计改进提供参考依据。

Space Radiation Reliability Assessment Method for Aerospace Electronic Products

The invention discloses a space radiation reliability evaluation method for aerospace electronic products. The method includes fault physical analysis, establishment of space radiation related fault information matrix, and classification and collection of parameters of the physical model, single event effect simulation, total dose effect simulation, displacement damage effect simulation, and consideration of the relationship between space failure mechanisms, and analysis of single event effect. The simulated life of the device under the action of total dose effect and displacement damage effect alone is obtained, and the failure life of the device under the action of space radiation environment effect is obtained. From the point of view of fault mechanism, this paper studies the reliability of space radiation related to space electronic products, and proposes a set of methods for evaluating space radiation reliability of space electronic products based on Simulation analysis, which enables designers to intuitively understand the level of space radiation reliability of products at the design stage, thus providing a reference basis for product design improvement.

【技术实现步骤摘要】
航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法
本专利技术提供一套基于仿真的，评估航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法(SpaceRadiationReliability,SRR)，属于航天电子产品可靠性分析领域。
技术介绍
近年来，我国一系列高精尖复杂设备不断问世，重大项目不断突破，空间站建设有条不紊，登月计划枕戈待发。所有的一切均要求高可靠的电子元器件，由于航天器组成结构复杂，根据可靠性分配理论，在系统可靠度不变的情况下，系统包含的元器件越多，要求单个器件的可靠性就越高。空天航空器组成结构复杂，要保证这些大型高精尖设备的正常运行，需要严格保证其可靠度要求。那么对这些设备的可靠性评估势在必行。空间环境比较复杂，除了地面环境常见的热、振和电应力环境外，还要遭受严酷的空间环境。因此，空间环境成为了诱导航天器在轨故障的主要因素之一。对我国早期6颗地球静止轨道卫星的故障原因进行统计分析发现，由空间环境引起的故障占总故障的比例达到40％，而其中的空间辐射环境则是空间环境诱导故障中的主要环境因素。这就要求我国航天科技工作者加强对空间辐射环境与效应的研究，将空间辐射环境工程纳入航天器任务设计、轨道选择、结构布局、材料与器件的选择、航天器在轨故障分析以及空间预报警等各个环节，以提高航天器的在轨可靠性与寿命。而要实现以上目标，首先就要研究空间环境下的常见故障机理对于航天器元器件的寿命影响。电子产品在空间辐射环境下会出现空间特有的故障机理，参考国内外大量文献，空间环境下对航天器材料和器件所产生的常见故障机理包括单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应。针对以上三种故障机理，国内外开展了相应的空间故障物理方面研究。航天电子装置的空间辐射的研究虽逐步受到重视，但目前常见的航天电子产品的可靠性评估还是主要依赖于统计数据。由于产品更新换代很快，统计数据极度缺乏，造成空间电子产品的可靠性评估不准确的问题，更无法定位发生故障部分的故障机理，从而造成了设计改进无针对性等问题。通过调研发现，国内外尚没有针对航天电子产品的空间辐射进行基于故障物理的可靠性评估的方法的报道。
技术实现思路
针对现有技术无法明确给出作为电子装置的空间辐射可靠度评价的问题，本专利技术的目的在于提供一套针对一种航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，具体地，从探究器件故障机理的角度出发，基于空间粒子辐射仿真技术及蒙特卡罗方法，与现有空间辐射环境模型相结合，获得航天电子装置空间辐射损伤的可靠性指标，以求直观把握产品的空间辐射可靠性水平，为产品针对空间辐射环境的设计及优化提供参考依据。本专利技术公开一种航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，该方法包括以下步骤：S1、故障物理分析，确定所研究对象的空间辐射故障机理，选择对应的三种故障物理模型；对于单粒子效应选择LET模型，对于总剂量效应选择阈值电压漂移模型，对于位移损伤效应选择NIEL模型；S2、综合故障机理和故障物理模型信息，建立空间辐射相关故障信息矩阵，分类收集所述物理模型的参数；并且根据三种故障物理模型的不同，分别执行步骤S3、S4或者S5；S3、根据步骤S1中的单粒子效应的LET模型，选择仿真软件，建立单粒子效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在单粒子效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；S4、根据步骤S1中的总剂量效应的阈值电压漂移模型，选择仿真软件，建立总剂量效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在总剂量效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；S5、根据步骤S1中的位移损伤效应的NIEL模型，选择仿真软件，建立位移损伤效应模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在位移损伤效应单独作用下的失效寿命，以及S6、考虑空间故障机理间的相互关系，分析单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应单独作用下的被测器件仿真寿命，获得被测器件在空间辐射环境效应共同作用下的失效寿命。优选地，步骤S3具体包括以下步骤：S31、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定单粒子效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；S32、选择利用Geant4软件中的Bertini核内级联模型和Geant4预复合模型针对引发元器件单粒子效应的主要入射粒子建立仿真模型；S33、选择利用SpaceRadiation软件针对单粒子效应故障物理模型的未知输入变量进行仿真，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。优选地，步骤S4具体包括以下步骤：S41、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定总剂量效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；S42、选择利用Silvaco的TCAD仿真软件直接建立仿真模型，获得电路模块在该效应作用下的总剂量效应故障物理模型输出参数，从而获得失效寿命；S43、选择利用阿斯特里姆公司的SYSTEMA空间环境及效应数值模拟分析软件，将其Dosrad模块和Earthrad模块相结合，针对总剂量效应故障物理模型的未知输入变量进行仿真，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。优选地，步骤S5具体包括以下步骤：S51、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定位移损伤效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；S52、选择利用蒙特卡罗仿真软件SAVANT工具直接建立仿真模型，获得电路模块在该效应作用下的位移损伤效应故障物理模型输出参数，即阈值电压漂量；S53、选择利用SHIELD程序或Geant4程序加入按粒子的能谱分布随机抽样而成的入射粒子能谱功能模块和考虑粒子在材料中产生的反冲核动能的NIEL计算模块，针对位移损伤效应故障物理模型的未知输入变量，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。优选地，步骤S1中调研获得的三种主要空间辐射环境效应为作用于航天电子产品电路模块的空间辐射环境效应。优选地，所述步骤S2中位移损伤效应的故障物理模型是由位移损伤剂量法获得的模型形式。优选地，所述步骤S33中单粒子效应故障物理模型的未知输入变量为线性能量传递值LET。优选地，所述步骤S43中总剂量效应故障物理模型的未知输入变量为辐射剂量率。优选地，所述步骤S53中位移损伤效应故障物理模型的未知输入变量为非电离能损NIEL，所述步骤S53中利用SHIELD程序或Geant4程序进行位移损伤效应仿真。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术通过将故障物理与空间辐射问题相结合，从物理、化学等微观层面去研究空间辐射所导致的故障发生的根本原因及空间粒子的作用，有助于深入理解空间辐射环境效应的作用机制。进一步来说，除对空间辐射故障有了定性把握之外，本文还给出了描述相关机理的故障物理模型，并挖掘模型中包括电磁应力在内的各空间粒子物理参数的意义及分散性，充分考虑结构、材料、工艺等特征参数对故障发生造成的不确定性影响，这就给出了空间辐射故障的定量描述。2、本文给出了一套空间辐射环境效应相关的仿真分析思路，从故障物理模型的建立到模型参数的选择的设置，再到仿真软件的仿真，最后仿真求解的全过程，获得各种空间辐射性能信息。3、目前常见的空间辐射评估，往往是通过仿真或测试等方法找到故障发生位置，无法明确给出可靠性指标值，而该指标能够为产品的空间辐射设计及优化提供极为重要的参考。因此，本文提出了一套计算空间辐射可靠性指标的方法，此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、故障物理分析，确定所研究对象的空间辐射故障机理，选择对应的三种故障物理模型；对于单粒子效应选择LET模型，对于总剂量效应选择阈值电压漂移模型，对于位移损伤效应选择NIEL模型；S2、综合故障机理和故障物理模型信息，建立空间辐射相关故障信息矩阵，分类收集所述物理模型的参数，并且根据三种故障物理模型的不同，分别执行步骤S3、S4或者S5；S3、根据步骤S1中的单粒子效应的LET模型，选择仿真软件，建立单粒子效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在单粒子效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；S4、根据步骤S1中的总剂量效应的阈值电压漂移模型，选择仿真软件，建立总剂量效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在总剂量效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；S5、根据步骤S1中的位移损伤效应的NIEL模型，选择仿真软件，建立位移损伤效应模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在位移损伤效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；S6、考虑空间故障机理间的相互关系，分析单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应单独作用下的被测器件仿真寿命，获得被测器件在空间辐射环境效应共同作用下的失效寿命。...

【技术特征摘要】
1.一种航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、故障物理分析，确定所研究对象的空间辐射故障机理，选择对应的三种故障物理模型；对于单粒子效应选择LET模型，对于总剂量效应选择阈值电压漂移模型，对于位移损伤效应选择NIEL模型；S2、综合故障机理和故障物理模型信息，建立空间辐射相关故障信息矩阵，分类收集所述物理模型的参数，并且根据三种故障物理模型的不同，分别执行步骤S3、S4或者S5；S3、根据步骤S1中的单粒子效应的LET模型，选择仿真软件，建立单粒子效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在单粒子效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；S4、根据步骤S1中的总剂量效应的阈值电压漂移模型，选择仿真软件，建立总剂量效应仿真模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在总剂量效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；S5、根据步骤S1中的位移损伤效应的NIEL模型，选择仿真软件，建立位移损伤效应模型，并仿真得到相应参数，以获得被测器件在位移损伤效应单独作用下的失效寿命，并执行步骤S6；S6、考虑空间故障机理间的相互关系，分析单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应单独作用下的被测器件仿真寿命，获得被测器件在空间辐射环境效应共同作用下的失效寿命。2.根据权利要求1所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：S31、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定单粒子效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环境相关参数；S32、利用Bertini核内级联模型和预复合模型针对引发元器件单粒子效应的主要入射粒子建立仿真模型；S33、选择利用SpaceRadiation软件针对单粒子效应故障物理模型的未知输入变量进行仿真，并将仿真结果代入故障物理模型获得模型输出结果。3.根据权利要求1所述的航天电子产品的空间辐射可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：S41、根据待仿真器件的工作条件及器件结构，确定总剂量效应故障物理模型中未知器件属性相关参数及工作环...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈颖，马启超，康锐，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11