20世纪90年代初，牵引力推进转换器的故障率增加，导致了对功率器件的宇宙射线故障模式的认识。西门子工程师采用着名的实验，将实验室阻塞条件下设备的故障率与盐矿中的阻塞故障率进行比较。盐矿中没有失效支持了宇宙射线粒子的假设作为失败的根本原因[1]。ABB在Jungfraujoch海拔3580米(asl)上进行的进一步测试证实了这一假设。质子束的附加测试使其在实验室中可重复。这导致改进的设计和关于功率半导体器件的坚固性的陈述。
宇宙粒子
原始宇宙粒子(通常是质子)在宇宙的偏远区域产生，例如在超新星中。粒子能量可以非常高; 比最强大的加速器(如CERN研究中心的加速器)中的人工加速粒子高几个数量级。但这些不是直接导致地球上设备故障的粒子。在他们向地球旅行的过程中，许多粒子被太阳和地球的磁场所偏转。这就是为什么地球上探测到的宇宙粒子随着太阳的11年活动周期而变化。那些接近地球的粒子与大气相互作用。在这种相互作用中，产生了新的，二级的，三级的......粒子(质子，中子，电子......)。最高海拔10,000 - 15，000 m颗粒的产生占主导地位，而接近地球的高度，颗粒的吸收占主导地位。在地表，可以检测到初始原始宇宙的第x代(陆地宇宙)。典型的通量是每厘米20个中子每小时2次(纽约海平面)，见图1.从这个描述可以得出结论，地球宇宙粒子的通量取决于高度。对于一阶估计，可以忽略由于地球磁场的影响而对纬度的依赖性以及实际的太阳活动。
由于大气吸收宇宙粒子，其他材料可用作屏蔽。例如，45厘米的混凝土层将宇宙中子粒子的强度降低了一半[3]。但是对于显着的屏蔽效果，需要大量屏蔽，这对于许多应用来说不是一种选择。
故障模式
大多数宇宙粒子通过半导体器件而没有任何相互作用。宇宙粒子以一定的概率与器件中的硅原子核相互作用。然后粒子的能量取代命中原子并可能产生新的粒子种类。尽管产生了硅晶体中的微观缺陷，但是对于非操作装置，即使在寿命期间产生的缺陷的浓度也不会导致典型照射条件的可测量的劣化。对于所操作的半导体器件，情况可能不同。逻辑设备或存储器通常通过小的带电电容器存储它们的信息。这里宇宙粒子的沉积能量可能导致位翻转，从而导致信息丢失。在支持电场的设备中，宇宙粒子的沉积能量可能导致通过电场放大的局部电荷云。可以在偏置设备处检测到短电流脉冲。该效应用于物理实验的粒子检测器，以识别和计数高能粒子。在支持高电场的器件中，如功率半导体器件，沉积的能量可能导致在阻挡半导体器件中形成拖缆，导电管，见图2.在这种情况下，器件可能被破坏，如图所示3。
由于宇宙射线导致的设备故障是突发事件，没有任何前兆。因此，它们通常被称为“单一事件倦怠”(SEB)。设备故障的概率取决于宇宙辐射的强度(因此取决于前面所述的高度和屏蔽)，并且强烈依赖于功率半导体器件中的电场强度和分布(因此取决于所施加的阻断电压和器件设计) )。其他影响参数是器件温度和光束方向。
测试
为了测试半导体器件的宇宙射线耐用性，需要在合理的测试时间内获取数据。这可以通过以下方式达到：
并行测试多个设备以在测试时间内获得更高的故障概率。
通过在测试期间以比典型应用中更高的阻断电压操作测试设备，提高测试设备的灵敏度。然后需要推断典型应用的故障率。该方法用于宇宙线坚固性研究的开始。
加速测试的另一种方法是增加宇宙射线通量。如前所述，宇宙粒子的强度增加到10,000 - 15,000 m的高度。在功率半导体器件的宇宙射线粗糙度研究开始时，这种效应用于减少测试时间。ABB在瑞士阿尔卑斯山的Jungfraujoch高海拔研究站运行了一个测试实验室，位于3580米处，见图4.在这个海拔高度，宇宙粒子的强度比海平面高出约10倍。
但即使加速，测试时间仍然在几个月到几年的数量级。这太长了，特别是对于具有多个学习周期的半导体开发阶段的验证测试。
获得相关数据的更快捷方法是使用人造粒子束，如中子束或质子束。研究表明，天然宇宙粒子产生的失效率很好地与人造粒子束产生的数据相对应，见图5.这种设置的测试时间缩短为几分钟。
设备坚固性规范
一些功率半导体供应商在数据表或应用笔记中指定了其器件的宇宙射线耐用性，例如[5]。对于未屏蔽的设备，给出了失效概率的参数，例如施加的偏压，结温或高度。这有助于在各个应用条件下估计功率半导体的故障率并选择合适的器件。
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