衛(wèi)星載荷二次電源用MOSFET的抗輻射設計及驗證

任 飛，紀志坡，張國帥，萬成安

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

衛(wèi)星載荷二次電源用MOSFET的抗輻射設計及驗證

任 飛，紀志坡，張國帥，萬成安

（北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190）

針對某衛(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，進行了二次電源用3款MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）的抗輻射總劑量設計，通過使用鉭片加固及合理的結(jié)構(gòu)布局防護使該3款MOSFET的輻照設計余量（RDM）均不小于3。開展總劑量輻照試驗驗證，對比參數(shù)變化得出MOSFET的抗電離總劑量數(shù)據(jù)，驗證了加固設計的有效性。采用經(jīng)過抗輻射設計的非宇航級元器件將成為空間降成本應用的趨勢之一。

二次電源；MOSFET；抗輻射加固；總劑量輻照；試驗研究

0 引言

在航天器二次電源設計中，空間飛行器載荷對電源的要求越來越高，僅僅依靠現(xiàn)有的宇航級抗輻射器件和技術(shù)已經(jīng)遠遠不能滿足系統(tǒng)對二次電源的特殊需求，且宇航高等級元器件的可獲得性較差，價格也始終居高不下，使得非宇航級元器件的應用需求不斷增長。

某衛(wèi)星載荷二次電源系此種載荷首次自主研發(fā)的國產(chǎn)二次電源，需要在元器件的選用上綜合考慮應用環(huán)境、研制進度及成本等多種因素，其中針對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（選用宇航級器件，具備抗輻射指標）；

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

實際選用中，大部分輻射敏感元器件均按照第1種途徑進行選擇；但由于周期等其他影響因素，還依據(jù)第2種途徑和文獻[2-3]選用了3款無抗輻射指標的 MOSFET（IRF5N3415、IRF7NA2907、IRF7N1405）。本文將對這3款MOSFET的抗輻射設計、驗證情況進行介紹。

1 抗輻射設計背景

1.1 一般考慮

抗輻射設計中一般須考慮的輻射效應主要有總劑量效應（TID）、單粒子效應（SEE）、內(nèi)帶電效應、表面充放電效應[6-7]，詳見表1。根據(jù)衛(wèi)星工作環(huán)境（太陽同步軌道，高度500～700 km，設計壽命不少于 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計中可不考慮單粒子效應[8]和帶電效應。本文重點針對總劑量效應進行分析。

表1 抗輻射設計考慮的效應及對應元器件Table 1 The anti-radiation design of electronical components

1.2 判斷準則

最大可耐總劑量指在電子器件的特性（電流、電壓門限值、轉(zhuǎn)換時間）發(fā)生重大變化前，器件所能承受的總吸收能量級，超過這個能量級后器件就不能正常工作（出現(xiàn)永久故障）[9]。電離總劑量效應防護設計時，需要考慮一定的設計余量，即輻照設計余量（RDM），用器件本身可承受的輻照劑量水平（Dose Level, DL）和設計劑量（Design Dose, DD）的比值來表示，即RDM=DL/DD。DL值可從器件廠家手冊資料中或必要的抗輻照試驗中獲得（本文專門針對相關(guān)元器件進行了抗輻射能力驗證試驗，詳見第3章）；DD值由抗輻射設計計算獲得?？馆椛湓O計的最終目標是獲取元器件的RDM值，來判斷設計是否達到要求。一般要求二次電源產(chǎn)品的RDM＞2。

2 抗輻射設計分析

總劑量效應會導致功率MOSFET閾值電壓漂移、漏電流增大等，因此，要針對該效應進行抗輻射防護設計，并對設計后器件的RDM值進行核算。

2.1 計算分析

由于載荷電源機箱是一個六面體，抗輻射設計以六面體方法進行計算[10]。即認為空間帶電粒子分別從垂直于機箱6個表面的方向（±x、±y、±z6個方向，參見圖1）入射，每個表面對應的輻射立體角為 4π/6。分別計算各個方向上的等效鋁屏蔽厚度，計為L+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+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，再由各個方向的立體角核算該方向的輻射劑量，則該設備內(nèi)部關(guān)鍵元器件位置處的輻射劑量近似為6個方向輻射劑量之和。

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款無抗輻射指標的MOSFET的抗電離總劑量能力及RDM分析結(jié)果見表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

對RDM值較低的劑量點，進行抗輻射加固設計。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作用；然后對輻射敏感器件劑量點的RDM進行重新分析計算，如還不能滿足要求，則考慮局部增加殼體厚度、利用專門的抗輻射材料進行局部加固防護；之后再對這些劑量點重新核算RDM，最終保證輻射敏感器件的RDM＞3，抗輻射設計滿足要求。

由于該載荷電源體積小，安裝密度大，元器件布局和機箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間十分有限，所以選用專門的耐輻射材料進行局部加固防護設計。局部加固后劑量點的輻照劑量分析及抗總劑量要求滿足度清單見表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，經(jīng)過局部加鉭片的抗輻射加固措施后，各個劑量點的RDM值均＞3（最小值為3.16），滿足抗輻射設計的要求，且保留一定的余量。

此外，除1M1、1M2為在軌5年長期工作外，其他MOS管均長期處于非工作狀態(tài)，即只在載荷電源工作時才工作，實際工作時間小于5000 h。根據(jù)文獻[11]，通常對工作狀態(tài)的元器件才有明顯的電離總劑量效應。而實際樣品試驗時，3款MOSFET的漏偏置輻照試驗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，IRF7NA2907封裝為SMD-2，IRF7N1405封裝為SMD-1。由于單個SMD-2封裝的器件外加鉭片增加的質(zhì)量約為1.19 g，單個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，圖中同時給出了實際產(chǎn)品在加固前和加固后的對比照片。

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

對于MOSFET這類輻射敏感器件，若沒有廠家提供的抗輻射性能證書或其他相關(guān)試驗數(shù)據(jù)證明器件的抗輻射能力，則須進行抗輻射性能驗證試驗。由于低劑量率的輻照試驗時間較長，文獻[12]中用高劑量率輻照后高溫退火的方法評估器件的總劑量輻照損傷，試驗數(shù)據(jù)同樣有效，具備參考價值。2014年 6月，作者所在研究團隊針對上述 3款MOSFET開展了抗輻射性能驗證試驗。下面對試驗的方案和實際實施情況進行說明。

3.1 驗證試驗方案

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

3.1.1 試驗的實施流程

試驗的實施流程見圖3。

圖3 輻照試驗流程圖Fig.3 The flow chart of radiation test

3.1.2 試驗樣品的選取

受試樣品均為電參數(shù)合格產(chǎn)品，每個型號的樣品數(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，用于做對比測試。

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，劑量率計量不確定度小于5%。

對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，進行電參數(shù)測試。其中22.5 krad(Si)為 15 krad輻照評估劑量的 50%過輻照劑量點。

對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）的保護電阻，VGS=0 V。

3.1.4 電參數(shù)測試及判斷

采用移位測量方法對樣品逐一進行電參數(shù)（見表4）測試，輻照后電參數(shù)測試的時間間隔應符合《QJ 10004—2008》標準的規(guī)定，為測試而中斷的輻照時間應不超過2 h。

表4 電參數(shù)測試項Table 4 The electrical parameters of MOSFET

3.1.5 設備連接

試驗設備連接見圖4。

圖4 試驗設備連接Fig.4 The test equipment connection

3.2 試驗結(jié)果及結(jié)論

按照實施方案開展了抗輻射驗證試驗。試驗輻照累積劑量達到 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，累積劑量達到50%過輻照劑量點后，再次進行電性能測試，3個型號共9只漏偏置輻照試樣的電性能均正常，3個型號共9只柵偏置輻照試樣的電性能均不正常。隨后，對所有偏置輻照試樣進行了高溫加速退火，退火后各試樣的電性能均為正常，測試結(jié)果與文獻[15]相一致。

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

4 結(jié)束語

通過抗輻射加固設計分析及輻照試驗驗證，證實某衛(wèi)星載荷二次電源在軌運行期間能給其內(nèi)部電子元器件提供一個良好的、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）的輻射設計余量（RDM）均滿足不小于 3的要求，可避免因空間輻射導致器件性能失效，確保電源在軌運行期間穩(wěn)定、可靠、長壽命工作。

考慮非宇航級元器件具有高性能和低成本的巨大潛力，獲取非宇航級元器件的抗輻射性能數(shù)據(jù)，通過輻射分析及加固使其滿足在軌需求，對于我國未來空間任務元器件應用具有多重現(xiàn)實意義。

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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，碩士學位，主要從事大功率宇航DC/DC變換器設計與應用。E-mail: dqrenfei@126.com。

2016-04-19；

：2016-09-06