DC/DC變換器抗輻射試驗

侯 偉，姚雨迎，卓 林

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

0 概述

隨著分散供配電體制的發(fā)展，DC/DC變換器的重要性日益體現(xiàn)。航天器用DC/DC變換器除具有嚴格電氣指標以外，其空間環(huán)境效應尤為突出。產(chǎn)品研制完成之后，必須進行輻射總劑量和單粒子效應的摸底試驗，以保證其抗輻射性能滿足要求。

1 試驗樣品

試驗樣品 ZHDC28S05/18W為采用厚膜工藝制造的數(shù)字化DC/DC變換器，其中的6個單粒子敏感器件分別為 MOSFET（IRFR13N15D）、MOSFET（IRFC046N）、集成供電芯片（LM2596-3.3）、集成供電芯片（LM2596-ADJ）、EEPROM（AT24C164）和數(shù)字控制器（BM2832MG）。它們均為裸芯片，通過金屬壓焊絲焊接在陶瓷基板上。

2 總劑量試驗

2.1 試驗目的

通過輻照試驗，了解器件的耐電離輻射能力。輻照源為60C0γ射線源（輻射場在試驗樣品輻照面積內(nèi)的不均勻度小于10%）。

2.2 試驗方案

試驗現(xiàn)場如圖1所示，被試DC/DC變換器置于輻照室內(nèi)，電源、測試儀器及設備置于輻照室外。將被試DC/DC變換器準確地放置在相應的劑量率線上并加以固定，將測試儀器、電源及負載用電纜通過迷宮結(jié)構(gòu)屏蔽體與被試樣品連接起來，測試電纜的長度約為35 m。

測試系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源、電阻負載、萬用表和示波器組成，主要監(jiān)視輸入電壓、輸入電流和輸出電壓3個參數(shù)的變化，連接關系如圖2所示。輸入電壓、電流從穩(wěn)壓電源直接讀出，輸出電壓通過萬用表測量，在負載端接示波器同時觀察輸出電壓紋波的變化。測試儀器型號見表1。

圖 1 試驗現(xiàn)場示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the test scene

圖2 測試系統(tǒng)連接關系示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the measurement system

表1 總劑量試驗所用測試儀器Table 1 Measuring instruments for total dose test

試驗樣品：ZHDC28S05/18W型DC/DC變換器2只；

輻照劑量率：10 krad(Si)/h；

環(huán)境溫度：20±5 ℃；

測試項目：輸入電流，輸入電壓，輸出電壓；

失效判據(jù)：輸出電壓變化≥5%或輸入電流變化≥10%。

試驗流程如圖3所示[1,3]。

圖3 總劑量試驗流程Fig. 3 The flowchart of total dose radiation test

2.3 試驗結(jié)果及分析

1#和2#DC-DC變換器總劑量輻照試驗曲線分別見圖4和圖5。

圖4 1#DC/DC變換器總劑量輻照試驗曲線Fig. 4 The total dose radiation test curve for 1#DC/DC converter

圖5 2#DC/DC變換器總劑量輻照試驗曲線Fig. 5 The total dose radiation test curve for 2#DC/DC converter

1#DC/DC變換器功能失效劑量為8.5 krad(Si)，2#DC/DC變換器功能失效劑量為9.33 krad(Si)。當器件功能失效前，變換器輸入電流參數(shù)變化不到10%。經(jīng)開蓋后測量，兩個變換器失效都是LM2596-ADJ（為數(shù)字控制器提供1.8 V電源）失效引起。

3 單粒子效應試驗

3.1 試驗目的

通過單粒子效應試驗，獲得器件單粒子事件LET閾值，為評價器件的單粒子效應（鎖定和翻轉(zhuǎn)）敏感性和DC/DC變換器的可靠性設計提供參考數(shù)據(jù)[2]。

3.2 試驗方案

1）試驗樣品

樣品為ZHDC28S05/18W型DC/DC變換器兩只。試驗樣品開蓋后，對6個單粒子敏感裸芯片MOSFET（IRFR13N15D）、MOSFET（IRFC046N）、集成供電芯片（LM2596-3.3）、集成供電芯片（LM2596-ADJ）、EEPROM（AT24C164）和數(shù)字控制器（BM2832MG）分別進行輻照。

2）輻射源

輻射試驗采用中國原子能科學院串列靜電加速器產(chǎn)生的重離子為輻射源。本次試驗選擇4種離子，其能量及LET值見表2所示。試驗在真空環(huán)境中進行，束斑尺寸為1 cm×1 cm。

表2 試驗選用的高能重離子Table 2 High-energy heavy ions used in tests

3）單粒子效應測試系統(tǒng)

單粒子效應測試系統(tǒng)如圖6所示，主要監(jiān)視輸入電壓、輸入電流和輸出電壓、輸出電流4個參數(shù)的變化。

圖6 單粒子效應測試系統(tǒng)示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the single event effect test system

4）試驗流程

試驗流程如圖7所示。根據(jù)靶室的條件，將試驗板固定在輻照支架上，保證試驗裝置與試驗支架移動的一致性。

圖7 單粒子效應試驗流程Fig. 7 Flow chart of single event effect test

試驗前逐一確定每個器件的坐標，確保入射離子覆蓋被測試器件的敏感區(qū)表面。對于每一個芯片的照射，先從能量較小的16O8+開始。對同一種離子，按以下順序?qū)?6種芯片分別進行照射：IRFR13N15D—IRFC046N—LM2596-3.3—LM2596-ADJ—AT24C164—BM2832MG。如果低能級離子照射沒有發(fā)生功能異常，則更換更高能量的離子依次對芯片進行照射，直到出現(xiàn)DC/DC變換器功能異常后，確定該芯片的最終單粒子效應LET閾值[4-5]。DC/DC變換器功能異常的判斷依據(jù)是輸出電壓變化超過額定值的±5%，在本次試驗中，正常輸出電壓范圍是4.75～5.25 V。在試驗時，首先確定初始注量率為 1.4×104cm2·s-1，輻照約2 min后，若沒有發(fā)生異常，則按照此注量率繼續(xù)輻照，直到總注量達到107cm-2為止，如果發(fā)生異常則降低注量率。每種離子的注量率有所差異，但保持在(0.86～2)×104cm2·s-1之間。

3.3 試驗結(jié)果及分析

LM2596-ADJ在35Cl10,14+輻照時DC/DC變換器出現(xiàn)6次異常，輸出電壓瞬間降為0，DC/DC變換器自動重新啟動一次；在48Ti10,15+輻照時出現(xiàn)5次異常，現(xiàn)象與35Cl10,14+輻照時相同；在79Br12,20+輻照時完全失效，DC/DC變換器無法正常工作。BM2832MG在48Ti10,15+輻照期間出現(xiàn)1次異常，需手動重新加電模塊才能正常工作，在79Br12,20+輻照期間出現(xiàn)4次同樣的異常。

以BM2832MG（抗輻射加固芯片，LET閾值為 15 MeV·cm-2）為參照基準，IRFR13N15D、IRFC046N、LM2596-3.3、AT24C164等4個器件的抗單粒子能力要優(yōu)于BM2832MG，LM2596-ADJ的抗單粒子能力低于BM2832MG。

4 結(jié)論

綜合總劑量和單粒子試驗的結(jié)果，以BM2832MG 為參照基準，集成功率芯片LM2596-ADJ的抗輻射總劑量和單粒子能力均較差，其他器件優(yōu)于BM2832MG。根據(jù)試驗結(jié)果更換了LM2596-ADJ芯片。經(jīng)過驗證，產(chǎn)品的抗輻射性能有了明顯提高，抗總劑量的閾值達到 12.83 krad(Si)，單粒子效應閾值大于15 MeV·cm-2。

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[1] 于慶奎, 唐民, 朱恒靜, 等. QJ10004—2008, 宇航用半導體器件總劑量輻照試驗方法[S]. 北京: 中國航天標準化研究所

[2] 于慶奎, 唐民, 朱恒靜, 等. QJ10005—2008, 宇航用半導體器件重離子單粒子效應試驗指南[S]. 北京: 中國航天標準化研究所

[3] American Society for Testing and Material. MIL-STD-883G, Ionizing radiation(total dose) test procedure[S]. 2006

[4] 余學峰, 任迪遠, 張國強, 等. 用于空間環(huán)境的CMOS器件的輻照方法和加固評判研究[C]//衛(wèi)星抗輻射加固技術(shù)學術(shù)交流文集, 1993

[5] 陳盤訓. 半導體器件和集成電路的輻射效應[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2005