半导体器件在其整个生命周期中都会受到核粒子辐射，这种辐射源自于高能宇宙粒子撞击大气层外围，一路传播、一路发生核反应，在低海拔处下起一场"粒子雨"，见图26。
对于地球大气层以上的空间应用，宇宙辐射主要是质子、离子和伽马射线。
地面应用（包括飞机飞行高度），大气层能挡掉大部分，辐射环境以中子为主，海平面通量约20个中子/cm2/小时，但图27显示，中子通量随海拔指数级增长，所以在考虑宇宙辐射导致的失效率时必须考虑海拔高度。
尽管地面上的中子通量密度相当低，但很多功率半导体应用要求单器件失效率低到1~100 FIT甚至更低（1 FIT = 109小时里坏1个）。
图28展示了功率半导体在阻断或反向偏压下的基本失效机理。图中是一个阻断状态的pin二极管，电场呈三角或梯形分布（蓝线），此时，入射进来的宇宙粒子可能触发与晶格原子的核反应，反冲离子 (recoil ions) 产生电子-空穴等离子体，电场在等离子体中被局部屏蔽，但在等离子体边缘，电场反而变得更强（红线），可能引发雪崩击穿，形成所谓的"流注" (streamer)，一路烧穿有源区。
反冲离子 (recoil ions)：反冲离子是指在原子、分子碰撞过程或核反应中，因动量守恒而获得反冲动量的带电原子或离子。当入射粒子（这里是宇宙辐射中子）与靶物质（这里是SiC）相互作用时，靶原子失去电子或发生核转变，剩余部分因受到“反冲”力而运动，形成反冲离子（高能、带正电的Si+或C+），反冲离子会在晶体中运动继续沿途撞击其他原子而产生大量电子-空穴对，从而形成等离子体云。也就是说中子本身不带电，不能直接电离，但"借刀杀人"制造反冲离子去电离。
流注 (streamer)：是高压气体放电/半导体击穿中的自持放电通道，像一条发光的"溪流"或"丝缕"在介质中快速延伸。（所谓“自持”，即不需要外部持续触发，自己就能维持和扩展）
局部电场屏蔽：如文中所述，反冲离子导致了电子-空穴等离子体云（带电粒子团），在这个等离子体团内部，由于里面的自由电荷在外电场作用下重新分布，产生了与外电场反向的内建电场，“抵消”了外电场，所以体现出电场被"屏蔽"的效果 (E=0)，但等离子体团边缘的电荷无处可去，堆积在边缘使电场增强（电场更尖），成为击穿起点。
等离子体通道和随后的流注把器件"短路"了，释放的能量直接把器件烧毁，这就叫单粒子烧毁 (SEB)。
单粒子：指的是一个宇宙射线粒子（如中子）。
单粒子烧毁 (Single Event Burnout)：一个粒子事件就导致器件彻底失效。
在SiC和Si中，宇宙射线引发的失效率，随器件在事件发生瞬间的电场强度呈指数级增长。电场差不多的器件，失效率也差不多。过去几十年做了大量加速试验，发现一个规律，即把施加电压归一化到实际雪崩击穿电压后，不同器件的宇宙射线失效率基本重合，见图29。
归一化：不同器件电压等级不同（650V、1200V、1700V...），直接比失效率不公平。
解决办法：把实际工作电压除以各自的雪崩击穿电压，得到比例：
比例相同的器件，失效率差不多（不管绝对电压是多少）。
这些试验是用质子加速器和散裂中子源来做的，粒子通量密度极高，加速因子能达到108量级。图29显示，失效率和施加的反向/阻断电压之间是明显的指数关系。
不过单个器件本身失效率极低，试验样本量又有限，所以数据点较分散，波动范围有1~2个数量级。抛开这个分散性，还是能从中提炼出一个平均的指数电压加速模型。在进行人工离子源的加速试验之外，还要在高海拔地区做自然大气中子通量的存储试验，用来验证这个加速模型是否靠谱。
利用宇宙射线失效率对雪崩击穿电压的依赖关系，可以优化功率器件的抗辐射能力。一般来说，垂直功率器件把漂移区或基区做厚一点、掺杂做低一点，就能提高雪崩击穿电压，从而增强抗宇宙辐射能力。但代价是正向导通损耗会变差，这就是图30说的抗辐射能力和导通损耗之间的权衡。
图31显示了功率模块逆变器应用中可能出现的不同运行工况，根据具体工况以及器件处于加压状态下的时间tuv，可以计算对应的不同FIT值。
要计算宇宙辐射导致的器件或模块的失效率，必须考虑到特定应用的条件，即施加的电压、海拔高度和运行时长。
图31展示了功率模块逆变器应用里的各种运行工况，不同工况、不同加压时间（tuv），算出来的FIT率也不一样：
示例：
no. of fails：指所有加压器件的预期失效总数。
tstress：指所有器件加压状态的总时长，tstress = Ndevices * tuv，其中tuv是单个器件的加压时间，这取决于具体工况。
比如纯电动车的驱动逆变器：只算驾驶工况时，tuv = 8000h（驾驶）；驾驶+充电都算时，tuv = 8000h（驾驶）+ 33000h（充电）。上述两种情况计算的失效率结果自然不同。
推测这里是把整车所有高压器件的加压时间都算上，不管哪个模块。英飞凌这里的例子中的33000h充电时间，更可能是指OBC模块或整车高压系统的总带电时间，而非主驱逆变器本身。
要计算宇宙射线FIT 率，必须考虑不同的运行工况。这些工况取决于具体的应用类型（例如：电驱系统、车载充电器等），以及基于施压时间tuv的具体应用条件。
所以，没法给某个技术或应用给出一个固定的宇宙辐射失效率数字。英飞凌的做法是：靠全球的应用工程师网络帮助客户进行计算（基于英飞凌的测试数据、客户端的应用条件以及具体应用细节，去算出总失效率）。
英飞凌也在持续做宇宙辐射试验，验证模型、确保新技术新产品的辐射鲁棒性，并在应用需求和器件设计之间找到合适的平衡点。结果表明，Si IGBT和SiC功率器件在宇宙射线基本失效机理、以及对工作条件的依赖关系上，只有细微差别。
本公众号内容基于英飞凌2025年10月发布的《英飞凌如何控制和保证基于SiC的功率半导体器件的可靠性白皮书》进行整理、分析与解读，版权归原作者所有，本文仅作学术交流与技术讨论，不构成对原文的实质性替代，详细内容请阅读原文，如有不当引用请联系删除。
