任 飛，紀(jì)志坡，張國(guó)帥，萬(wàn)成安

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

衛(wèi)星載荷二次電源用MOSFET的抗輻射設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

任 飛，紀(jì)志坡，張國(guó)帥，萬(wàn)成安

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

針對(duì)某衛(wèi)星載荷二次電源所面臨的空間總劑量輻射環(huán)境及其效應(yīng)，進(jìn)行了二次電源用3款MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）的抗輻射總劑量設(shè)計(jì)，通過(guò)使用鉭片加固及合理的結(jié)構(gòu)布局防護(hù)使該3款MOSFET的輻照設(shè)計(jì)余量（RDM）均不小于3。開(kāi)展總劑量輻照試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比參數(shù)變化得出MOSFET的抗電離總劑量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了加固設(shè)計(jì)的有效性。采用經(jīng)過(guò)抗輻射設(shè)計(jì)的非宇航級(jí)元器件將成為空間降成本應(yīng)用的趨勢(shì)之一。

二次電源；MOSFET；抗輻射加固；總劑量輻照；試驗(yàn)研究

0 引言

在航天器二次電源設(shè)計(jì)中，空間飛行器載荷對(duì)電源的要求越來(lái)越高，僅僅依靠現(xiàn)有的宇航級(jí)抗輻射器件和技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)對(duì)二次電源的特殊需求，且宇航高等級(jí)元器件的可獲得性較差，價(jià)格也始終居高不下，使得非宇航級(jí)元器件的應(yīng)用需求不斷增長(zhǎng)。

某衛(wèi)星載荷二次電源系此種載荷首次自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)二次電源，需要在元器件的選用上綜合考慮應(yīng)用環(huán)境、研制進(jìn)度及成本等多種因素，其中針對(duì)輻射敏感元器件的選用主要考慮以下2條途徑[1]：

1）優(yōu)先采用抗輻射加固器件（選用宇航級(jí)器件，具備抗輻射指標(biāo)）；

2）綜合考慮周期、成本等因素，采用低等級(jí)元器件，通過(guò)抗輻射分析和加固，使元器件滿足系統(tǒng)的抗輻射要求。

實(shí)際選用中，大部分輻射敏感元器件均按照第1種途徑進(jìn)行選擇；但由于周期等其他影響因素，還依據(jù)第2種途徑和文獻(xiàn)[2-3]選用了3款無(wú)抗輻射指標(biāo)的 MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）。本文將對(duì)這3款MOSFET的抗輻射設(shè)計(jì)、驗(yàn)證情況進(jìn)行介紹。

1 抗輻射設(shè)計(jì)背景

1.1 一般考慮

抗輻射設(shè)計(jì)中一般須考慮的輻射效應(yīng)主要有總劑量效應(yīng)（TID）、單粒子效應(yīng)（SEE）、內(nèi)帶電效應(yīng)、表面充放電效應(yīng)[6-7]，詳見(jiàn)表1。根據(jù)衛(wèi)星工作環(huán)境（太陽(yáng)同步軌道，高度500～700 km，設(shè)計(jì)壽命不少于 5年）[4-5]以及衛(wèi)星載荷二次電源所處位置（衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體外部，屬于星外設(shè)備）和所用元器件種類，確定衛(wèi)星載荷二次電源的抗輻射設(shè)計(jì)中可不考慮單粒子效應(yīng)[8]和帶電效應(yīng)。本文重點(diǎn)針對(duì)總劑量效應(yīng)進(jìn)行分析。

表1 抗輻射設(shè)計(jì)考慮的效應(yīng)及對(duì)應(yīng)元器件Table 1 The anti-radiation design of electronical components

1.2 判斷準(zhǔn)則

最大可耐總劑量指在電子器件的特性（電流、電壓門(mén)限值、轉(zhuǎn)換時(shí)間）發(fā)生重大變化前，器件所能承受的總吸收能量級(jí)，超過(guò)這個(gè)能量級(jí)后器件就不能正常工作（出現(xiàn)永久故障）[9]。電離總劑量效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮一定的設(shè)計(jì)余量，即輻照設(shè)計(jì)余量（RDM），用器件本身可承受的輻照劑量水平（Dose Level, DL）和設(shè)計(jì)劑量（Design Dose, DD）的比值來(lái)表示，即RDM=DL/DD。DL值可從器件廠家手冊(cè)資料中或必要的抗輻照試驗(yàn)中獲得（本文專門(mén)針對(duì)相關(guān)元器件進(jìn)行了抗輻射能力驗(yàn)證試驗(yàn)，詳見(jiàn)第3章）；DD值由抗輻射設(shè)計(jì)計(jì)算獲得?？馆椛湓O(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是獲取元器件的RDM值，來(lái)判斷設(shè)計(jì)是否達(dá)到要求。一般要求二次電源產(chǎn)品的RDM＞2。

2 抗輻射設(shè)計(jì)分析

總劑量效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致功率MOSFET閾值電壓漂移、漏電流增大等，因此，要針對(duì)該效應(yīng)進(jìn)行抗輻射防護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)后器件的RDM值進(jìn)行核算。

2.1 計(jì)算分析

由于載荷電源機(jī)箱是一個(gè)六面體，抗輻射設(shè)計(jì)以六面體方法進(jìn)行計(jì)算[10]。即認(rèn)為空間帶電粒子分別從垂直于機(jī)箱6個(gè)表面的方向（±x、±y、±z6個(gè)方向，參見(jiàn)圖1）入射，每個(gè)表面對(duì)應(yīng)的輻射立體角為 4π/6。分別計(jì)算各個(gè)方向上的等效鋁屏蔽厚度，計(jì)為L(zhǎng)+x、L-x、L+y、L-y、L+z和L-z。

圖1 載荷電源的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of the payload supply

在輻射劑量一維分析結(jié)果（劑量–深度曲線）中，分別查出屏蔽厚度為L(zhǎng)+x、L-x、L+y、L-y、L+z和L-z的輻射劑量值D+x、D-x、D+y、D-y、D+z和D-z，再由各個(gè)方向的立體角核算該方向的輻射劑量，則該設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵元器件位置處的輻射劑量近似為6個(gè)方向輻射劑量之和。

2.2 抗電離總劑量要求滿足度分析

該載荷二次電源中選用的 3款無(wú)抗輻射指標(biāo)的MOSFET的抗電離總劑量能力及RDM分析結(jié)果見(jiàn)表2，其RDM值均能滿足＞2的要求，但抗輻射的余量較小，RDM值最低的僅為2.15。

表2 抗總劑量要求滿足度清單Table 2 The RDM list of MOSFET

表2（續(xù)）

2.3 抗電離總劑量加固防護(hù)

對(duì)RDM值較低的劑量點(diǎn)，進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)。首先考慮優(yōu)化元器件布局，將一些質(zhì)量和體積較大而對(duì)輻射不敏感的元器件安裝布局在輻射敏感器件的周圍起防護(hù)作用；然后對(duì)輻射敏感器件劑量點(diǎn)的RDM進(jìn)行重新分析計(jì)算，如還不能滿足要求，則考慮局部增加殼體厚度、利用專門(mén)的抗輻射材料進(jìn)行局部加固防護(hù)；之后再對(duì)這些劑量點(diǎn)重新核算RDM，最終保證輻射敏感器件的RDM＞3，抗輻射設(shè)計(jì)滿足要求。

由于該載荷電源體積小，安裝密度大，元器件布局和機(jī)箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間十分有限，所以選用專門(mén)的耐輻射材料進(jìn)行局部加固防護(hù)設(shè)計(jì)。局部加固后劑量點(diǎn)的輻照劑量分析及抗總劑量要求滿足度清單見(jiàn)表3。

表3 經(jīng)局部加固后抗總劑量要求滿足度清單Table 3 The RDM list after radiation hardening

由表3可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)局部加鉭片的抗輻射加固措施后，各個(gè)劑量點(diǎn)的RDM值均＞3（最小值為3.16），滿足抗輻射設(shè)計(jì)的要求，且保留一定的余量。

此外，除1M1、1M2為在軌5年長(zhǎng)期工作外，其他MOS管均長(zhǎng)期處于非工作狀態(tài)，即只在載荷電源工作時(shí)才工作，實(shí)際工作時(shí)間小于5000 h。根據(jù)文獻(xiàn)[11]，通常對(duì)工作狀態(tài)的元器件才有明顯的電離總劑量效應(yīng)。而實(shí)際樣品試驗(yàn)時(shí)，3款MOSFET的漏偏置輻照試驗(yàn)樣品的電性能均正常，表明它們的RDM值在表3提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上還是有一定余量的。

同時(shí)，IRF7NA2907封裝為SMD-2，IRF7N1405封裝為SMD-1。由于單個(gè)SMD-2封裝的器件外加鉭片增加的質(zhì)量約為1.19 g，單個(gè)SMD-1封裝的器件外加鉭片增加的質(zhì)量約為0.96 g，所以二次電源增加的總質(zhì)量約為11.5 g（鉭的密度為16.67 g/cm3），對(duì)于載荷電源整體質(zhì)量的影響是很小的。加鉭片的輻射加固措施如圖2所示，圖中同時(shí)給出了實(shí)際產(chǎn)品在加固前和加固后的對(duì)比照片。

圖2 加鉭片的抗輻射加固安裝方式Fig.2 The installation of tantalum sheet for radiation hardening

3 MOSFET的總劑量輻照試驗(yàn)

對(duì)于MOSFET這類輻射敏感器件，若沒(méi)有廠家提供的抗輻射性能證書(shū)或其他相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明器件的抗輻射能力，則須進(jìn)行抗輻射性能驗(yàn)證試驗(yàn)。由于低劑量率的輻照試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，文獻(xiàn)[12]中用高劑量率輻照后高溫退火的方法評(píng)估器件的總劑量輻照損傷，試驗(yàn)數(shù)據(jù)同樣有效，具備參考價(jià)值。2014年 6月，作者所在研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上述 3款MOSFET開(kāi)展了抗輻射性能驗(yàn)證試驗(yàn)。下面對(duì)試驗(yàn)的方案和實(shí)際實(shí)施情況進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)方案

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GJB 128A—1997 半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法》[13]和《QJ 10004—2008 宇航用半導(dǎo)體器件總劑量輻照試驗(yàn)方法》[14]中的相關(guān)要求制定了試驗(yàn)方案，主要內(nèi)容如下。

3.1.1 試驗(yàn)的實(shí)施流程

試驗(yàn)的實(shí)施流程見(jiàn)圖3。

圖3 輻照試驗(yàn)流程圖Fig.3 The flow chart of radiation test

3.1.2 試驗(yàn)樣品的選取

受試樣品均為電參數(shù)合格產(chǎn)品，每個(gè)型號(hào)的樣品數(shù)量為7只，其中3只加偏置輻照A，3只加偏置輻照B，1只不加輻照，用于做對(duì)比測(cè)試。

3.1.3 輻照源與輻照參數(shù)

采用60Coγ射線源，劑量率為0.01～0.1 rad(Si)/s，劑量率計(jì)量不確定度小于5%。

對(duì)器件施加累積劑量為5、10、15和22.5 krad(Si)的輻照并加速高溫退火后，進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試。其中22.5 krad(Si)為 15 krad輻照評(píng)估劑量的 50%過(guò)輻照劑量點(diǎn)。

對(duì)受試器件所施加的偏置輻照參數(shù)如下：

A：VGS=10 V，并在電源端接入R=2 k?（1/4 W）的保護(hù)電阻，VDS=0 V；

B：VDS=120 V，并在電源端接入R=2 k?（1/4 W）的保護(hù)電阻，VGS=0 V。

3.1.4 電參數(shù)測(cè)試及判斷

采用移位測(cè)量方法對(duì)樣品逐一進(jìn)行電參數(shù)（見(jiàn)表4）測(cè)試，輻照后電參數(shù)測(cè)試的時(shí)間間隔應(yīng)符合《QJ 10004—2008》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，為測(cè)試而中斷的輻照時(shí)間應(yīng)不超過(guò)2 h。

表4 電參數(shù)測(cè)試項(xiàng)Table 4 The electrical parameters of MOSFET

3.1.5 設(shè)備連接

試驗(yàn)設(shè)備連接見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備連接Fig.4 The test equipment connection

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

按照實(shí)施方案開(kāi)展了抗輻射驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)輻照累積劑量達(dá)到 15 krad(Si)并按要求退火后，各試樣的電性能均正常。繼續(xù)施加輻照，累積劑量達(dá)到50%過(guò)輻照劑量點(diǎn)后，再次進(jìn)行電性能測(cè)試，3個(gè)型號(hào)共9只漏偏置輻照試樣的電性能均正常，3個(gè)型號(hào)共9只柵偏置輻照試樣的電性能均不正常。隨后，對(duì)所有偏置輻照試樣進(jìn)行了高溫加速退火，退火后各試樣的電性能均為正常，測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[15]相一致。

經(jīng)過(guò)輻照試驗(yàn)證明，3款MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）均具有15～20 krad(Si)的抗輻射能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)抗輻射加固設(shè)計(jì)分析及輻照試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)某衛(wèi)星載荷二次電源在軌運(yùn)行期間能給其內(nèi)部電子元器件提供一個(gè)良好的、足夠抵抗空間惡劣輻射條件的內(nèi)部環(huán)境，電源內(nèi)部選用的3款MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）的輻射設(shè)計(jì)余量（RDM）均滿足不小于 3的要求，可避免因空間輻射導(dǎo)致器件性能失效，確保電源在軌運(yùn)行期間穩(wěn)定、可靠、長(zhǎng)壽命工作。

考慮非宇航級(jí)元器件具有高性能和低成本的巨大潛力，獲取非宇航級(jí)元器件的抗輻射性能數(shù)據(jù)，通過(guò)輻射分析及加固使其滿足在軌需求，對(duì)于我國(guó)未來(lái)空間任務(wù)元器件應(yīng)用具有多重現(xiàn)實(shí)意義。

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（編輯：張艷艷）

Anti-radiation design and experimental verification of MOSFETs used in a power supply on the space payload

REN Fei, JI Zhipo, ZHANG Guoshuai, WAN Cheng’an
(Beijing Spacecrafts, Beijing 100190, China)

This paper analyses the space total dose effects of three MOSFETs (IRF5N3415, IRF7NA2907, IRF7N1405) in a secondary power supply on the space payload.The process of the anti-radiation design is discussed.In order to make the radiation design margin (RDM) larger than three, the radiation hardening technologies such as the tantalum sheet hardening and reasonable structure re-arrangement are used.Through total dose radiation test, the electrical performance data of the three MOSFETs are obtained by comparing the variations of the main parameters before and after the test, which prove the effectiveness of the design.The use of non space-level components will become a new tendency for low cost space applications in the future.

secondary power supply; MOSFET; radiation hardening; total dose radiation; test study

TN368.1

：B

：1673-1379(2016)05-0545-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.016

任 飛（1986—），男，碩士學(xué)位，主要從事大功率宇航DC/DC變換器設(shè)計(jì)與應(yīng)用。E-mail: dqrenfei@126.com。

2016-04-19；

：2016-09-06