DC/DC變換器抗輻射試驗

侯 偉，姚雨迎，卓 林

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

0 概述

隨著分散供配電體制的發展，DC/DC變換器的重要性日益體現。航天器用DC/DC變換器除具有嚴格電氣指標以外，其空間環境效應尤為突出。產品研制完成之后，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的不均勻度小于10%）。

2.2 試驗方案

試驗現場如圖1所示，被試DC/DC變換器置于輻照室內，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構屏蔽體與被試樣品連接起來，測試電纜的長度約為35 m。

測試系統由穩壓電源、電阻負載、萬用表和示波器組成，主要監視輸入電壓、輸入電流和輸出電壓3個參數的變化，連接關系如圖2所示。輸入電壓、電流從穩壓電源直接讀出，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 試驗現場示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the test scene

圖2 測試系統連接關系示意圖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：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變化不到10%。經開蓋后測量，兩個變換器失效都是LM2596-ADJ（為數字控制器提供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）敏感性和DC/DC變換器的可靠性設計提供參考數據[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

單粒子效應測試系統如圖6所示，主要監視輸入電壓、輸入電流和輸出電壓、輸出電流4個參數的變化。

圖6 單粒子效應測試系統示意圖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，按以下順序對 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，若沒有發生異常，則按照此注量率繼續輻照，直到總注量達到107cm-2為止，如果發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 試驗結果及分析

LM2596-ADJ在35Cl10,14+輻照時DC/DC變換器出現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5次異常，現象與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于BM2832MG，LM2596-ADJ的抗單粒子能力低于BM2832MG。

4 結論

綜合總劑量和單粒子試驗的結果，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，其他器件優于BM2832MG。根據試驗結果更換了LM2596-ADJ芯片。經過驗證，產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. 用于空間環境的CMOS器件的輻照方法和加固評判研究[C]//衛星抗輻射加固技術學術交流文集, 1993

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