连续激光辐照下FRAM不同作用区域热损伤效应及其空间电子束流模拟研究

针对航天器铁电存储器(FRAM)在空间高能电子束流环境中的可靠性问题，研究人员通过连续纳秒激光动态辐照实验与COMSOL多物理场仿真，揭示了FRAM热-力耦合损伤机制，建立激光功率与器件温升的二次函数关系T(p)=25.8+208.4p?10.1p2，发现CMOS外围电路对热应力敏感度高于存储阵列，微闭锁电流>0.6 mA可致功能暂失，为航天电子抗辐射设计提供重要依据。

　　

随着人类深空探测活动的扩展，航天器电子系统面临空间辐射环境的严峻挑战。地球外辐射带捕获的高能电子可穿透航天器外壳，对铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory, FRAM)等关键电子器件造成累积性损伤。FRAM凭借非易失性、低功耗和抗辐射特性成为航天存储器的优选，但其微米级加工工艺使其对电荷积累和热效应极为敏感。尽管前人针对FRAM辐射效应开展过总剂量实验（如J.M. Bunedetto发现2-4 krad(Si)的失效阈值），但关于连续能量沉积导致的局部热-力耦合损伤机制仍缺乏系统研究。

沈阳理工大学的研究团队创新性地采用连续激光模拟空间高能电子束流环境，通过多尺度实验与仿真揭示了FRAM的热损伤规律。研究团队构建了包含激光加载、温度场测量和功能监测的复合实验系统，采用1064 nm连续激光辐照SOIC封装的FM24Cxx系列FRAM，结合红外热成像技术实时捕捉器件表面温度场分布。通过COMSOL多物理场仿真建立了包含封装层（70% SiO₂+20%环氧树脂）、存储阵列和CMOS外围电路的精细化三维模型，首次量化了不同辐照区域（存储阵列vs外围电路）的损伤敏感性差异。

关键实验技术

1. 连续激光动态辐照：采用0-2.5 W可调1064 nm激光，光斑直径0.5 mm模拟电子束流能量沉积
2. 红外热成像：采样频率1 Hz监测表面温度场演变
3. 电参数在线测试：实时记录读写错误率、功耗电流等参数
4. COMSOL多物理场耦合：热传导-热应力协同仿真

研究结果
Abstract
实验测得FRAM最大温升与激光功率呈非线性关系，最优拟合函数T(p)=25.8+208.4p?10.1p²表明热积累效应随功率提升显著增强。功能失效阈值分析显示，CMOS外围电路在1.8 W辐照时即出现>0.6 mA的微闭锁电流，而存储阵列耐受功率达2.3 W。

Numerical simulation
仿真揭示封装层热阻效应导致温度梯度达120°C/mm，存储阵列因规则排布结构表现出更好的热扩散能力，而CMOS电路局部热应力集中系数高达3.7，与实验观测的功能失效顺序一致。

Conclusion
研究证实热应力是比单纯温升更关键的失效诱因：

1. 激光功率>1.5 W时，单字节错误率呈指数增长；
2. 外围电路功能失效早于存储阵列，验证了J.M. Benedetto关于CMOS敏感性的假设；
3. 微闭锁电流导致的暂态失效具有自恢复特性。

该研究发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》，首次建立了空间电子环境-激光模拟-器件响应的定量关联模型，不仅为FRAM抗辐射设计提供了功率-温升预测工具，更揭示了热应力主导的失效新机制。研究发现的外围电路脆弱性指导航天电子系统应优先加强CMOS模块的散热设计，而微闭锁电流的自恢复特性则为航天器在轨维护策略提供了重要参考。这项成果对提升我国航天电子器件的空间环境适应性具有显著工程价值。