DC/DC变换器抗辐射试验

侯 伟，姚雨迎，卓 林

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

0 概述

随着分散供配电体制的发展，DC/DC变换器的重要性日益体现。航天器用DC/DC变换器除具有严格电气指标以外，其空间环境效应尤为突出。产品研制完成之后，必须进行辐射总剂量和单粒子效应的摸底试验，以保证其抗辐射性能满足要求。

1 试验样品

试验样品 ZHDC28S05/18W为采用厚膜工艺制造的数字化DC/DC变换器，其中的6个单粒子敏感器件分别为 MOSFET（IRFR13N15D）、MOSFET（IRFC046N）、集成供电芯片（LM2596-3.3）、集成供电芯片（LM2596-ADJ）、EEPROM（AT24C164）和数字控制器（BM2832MG）。它们均为裸芯片，通过金属压焊丝焊接在陶瓷基板上。

2 总剂量试验

2.1 试验目的

通过辐照试验，了解器件的耐电离辐射能力。辐照源为60C0γ射线源（辐射场在试验样品辐照面积内的不均匀度小于10%）。

2.2 试验方案

试验现场如图1所示，被试DC/DC变换器置于辐照室内，电源、测试仪器及设备置于辐照室外。将被试DC/DC变换器准确地放置在相应的剂量率线上并加以固定，将测试仪器、电源及负载用电缆通过迷宫结构屏蔽体与被试样品连接起来，测试电缆的长度约为35 m。

测试系统由稳压电源、电阻负载、万用表和示波器组成，主要监视输入电压、输入电流和输出电压3个参数的变化，连接关系如图2所示。输入电压、电流从稳压电源直接读出，输出电压通过万用表测量，在负载端接示波器同时观察输出电压纹波的变化。测试仪器型号见表1。

图 1 试验现场示意图Fig. 1 Schematic diagram of the test scene

图2 测试系统连接关系示意图Fig. 2 Schematic diagram of the measurement system

表1 总剂量试验所用测试仪器Table 1 Measuring instruments for total dose test

试验样品：ZHDC28S05/18W型DC/DC变换器2只；

辐照剂量率：10 krad(Si)/h；

环境温度：20±5 ℃；

测试项目：输入电流，输入电压，输出电压；

失效判据：输出电压变化≥5%或输入电流变化≥10%。

试验流程如图3所示[1,3]。

图3 总剂量试验流程Fig. 3 The flowchart of total dose radiation test

2.3 试验结果及分析

1#和2#DC-DC变换器总剂量辐照试验曲线分别见图4和图5。

图4 1#DC/DC变换器总剂量辐照试验曲线Fig. 4 The total dose radiation test curve for 1#DC/DC converter

图5 2#DC/DC变换器总剂量辐照试验曲线Fig. 5 The total dose radiation test curve for 2#DC/DC converter

1#DC/DC变换器功能失效剂量为8.5 krad(Si)，2#DC/DC变换器功能失效剂量为9.33 krad(Si)。当器件功能失效前，变换器输入电流参数变化不到10%。经开盖后测量，两个变换器失效都是LM2596-ADJ（为数字控制器提供1.8 V电源）失效引起。

3 单粒子效应试验

3.1 试验目的

通过单粒子效应试验，获得器件单粒子事件LET阈值，为评价器件的单粒子效应（锁定和翻转）敏感性和DC/DC变换器的可靠性设计提供参考数据[2]。

3.2 试验方案

1）试验样品

样品为ZHDC28S05/18W型DC/DC变换器两只。试验样品开盖后，对6个单粒子敏感裸芯片MOSFET（IRFR13N15D）、MOSFET（IRFC046N）、集成供电芯片（LM2596-3.3）、集成供电芯片（LM2596-ADJ）、EEPROM（AT24C164）和数字控制器（BM2832MG）分别进行辐照。

2）辐射源

辐射试验采用中国原子能科学院串列静电加速器产生的重离子为辐射源。本次试验选择4种离子，其能量及LET值见表2所示。试验在真空环境中进行，束斑尺寸为1 cm×1 cm。

表2 试验选用的高能重离子Table 2 High-energy heavy ions used in tests

3）单粒子效应测试系统

单粒子效应测试系统如图6所示，主要监视输入电压、输入电流和输出电压、输出电流4个参数的变化。

图6 单粒子效应测试系统示意图Fig. 6 Schematic diagram of the single event effect test system

4）试验流程

试验流程如图7所示。根据靶室的条件，将试验板固定在辐照支架上，保证试验装置与试验支架移动的一致性。

图7 单粒子效应试验流程Fig. 7 Flow chart of single event effect test

试验前逐一确定每个器件的坐标，确保入射离子覆盖被测试器件的敏感区表面。对于每一个芯片的照射，先从能量较小的16O8+开始。对同一种离子，按以下顺序对 6种芯片分别进行照射：IRFR13N15D—IRFC046N—LM2596-3.3—LM2596-ADJ—AT24C164—BM2832MG。如果低能级离子照射没有发生功能异常，则更换更高能量的离子依次对芯片进行照射，直到出现DC/DC变换器功能异常后，确定该芯片的最终单粒子效应LET阈值[4-5]。DC/DC变换器功能异常的判断依据是输出电压变化超过额定值的±5%，在本次试验中，正常输出电压范围是4.75～5.25 V。在试验时，首先确定初始注量率为 1.4×104cm2·s-1，辐照约2 min后，若没有发生异常，则按照此注量率继续辐照，直到总注量达到107cm-2为止，如果发生异常则降低注量率。每种离子的注量率有所差异，但保持在(0.86～2)×104cm2·s-1之间。

3.3 试验结果及分析

LM2596-ADJ在35Cl10,14+辐照时DC/DC变换器出现6次异常，输出电压瞬间降为0，DC/DC变换器自动重新启动一次；在48Ti10,15+辐照时出现5次异常，现象与35Cl10,14+辐照时相同；在79Br12,20+辐照时完全失效，DC/DC变换器无法正常工作。BM2832MG在48Ti10,15+辐照期间出现1次异常，需手动重新加电模块才能正常工作，在79Br12,20+辐照期间出现4次同样的异常。

以BM2832MG（抗辐射加固芯片，LET阈值为 15 MeV·cm-2）为参照基准，IRFR13N15D、IRFC046N、LM2596-3.3、AT24C164等4个器件的抗单粒子能力要优于BM2832MG，LM2596-ADJ的抗单粒子能力低于BM2832MG。

4 结论

综合总剂量和单粒子试验的结果，以BM2832MG 为参照基准，集成功率芯片LM2596-ADJ的抗辐射总剂量和单粒子能力均较差，其他器件优于BM2832MG。根据试验结果更换了LM2596-ADJ芯片。经过验证，产品的抗辐射性能有了明显提高，抗总剂量的阈值达到 12.83 krad(Si)，单粒子效应阈值大于15 MeV·cm-2。

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[1] 于庆奎, 唐民, 朱恒静, 等. QJ10004—2008, 宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法[S]. 北京: 中国航天标准化研究所

[2] 于庆奎, 唐民, 朱恒静, 等. QJ10005—2008, 宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南[S]. 北京: 中国航天标准化研究所

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

[4] 余学峰, 任迪远, 张国强, 等. 用于空间环境的CMOS器件的辐照方法和加固评判研究[C]//卫星抗辐射加固技术学术交流文集, 1993

[5] 陈盘训. 半导体器件和集成电路的辐射效应[M]. 北京:国防工业出版社, 2005