空间辐照环境下的FPGA可靠性设计技术

李巍，刘栋斌

（中国科学院 长春光机所 空间一部，长春 130022）

李巍（助理研究员），主要从事空间光学CCD成像技术的研究。

引 言

FPGA以其集成度高、灵活性强、开发周期短的特点，在航天领域得到了越来越广泛的应用。然而，其工作的空间环境存在着大量γ光子、辐射带电子、高能质子等高能粒子。这些高能粒子轰击到器件上，会产生总剂量效应（Total Ionizing Dose，TID）、单粒子翻转（Single Event Upset，SEU）、单粒子锁定（Single Event Latchup，SEL）、单粒子烧毁（Single Event Bum－out，SEB）、单粒子栅击穿（Single Event Gate Rupture，SEGR）、内带电效应等空间辐射效应［1］。这些效应对基于SRAM的FPGA的影响尤为明显。

现代FPGA工艺向着低电压、高集成度方向发展，这使得发生空间辐射响应的阈值越来越低，发生故障的概率越来越大。空间辐射效应的发生，轻则会使设备工作异常，重则会导致设备烧毁、永久失效。因此，FPGA必须进行高可靠性设计，来最大限度地预防和解决空间辐射效应的影响。

1 空间辐照效应

据卫星资料统计，其异常记录中有70%是由空间辐射环境引起的［2］。主要空间辐射效应与辐射源及作用对象之间关系如表1所列。

表1 主要辐射效应、辐射源及对象

单粒子效应（Single Event Effect，SEE）是单个高能质子或重离子入射电子元器件上引发的辐射效应。根据效应的机理不同可分为单粒子翻转、锁定、烧毁、栅击穿等。

当单个空间高能带电粒子轰击到大规模、超大规模的逻辑型微电子器件时，沿粒子入射轨迹，在芯片的PN结附近区产生电离效应，生成一定数量的电子－空穴对（载流子）。如果芯片处于加电状态，这些由于辐射产生的载流子将在芯片内部电场作用下发生飘移和重新分布，从而改变了芯片内部正常载流子的运动分布和运动状态。……