一種針對COTS產(chǎn)品的板級總劑量試驗(yàn)方法

季月明，張振力，吳志遠(yuǎn)，薛力軍

（深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司，深圳518057）

0 引言

COTS產(chǎn)品在地面環(huán)境應(yīng)用廣泛，較同功能的宇航產(chǎn)品性價比更高，故在微小衛(wèi)星上得到較多應(yīng)用；但COTS產(chǎn)品通常只有地面使用的經(jīng)歷，無空間應(yīng)用的抗總劑量輻射指標(biāo)。目前元器件的總劑量輻照試驗(yàn)方法已經(jīng)比較成熟，以往的航天產(chǎn)品都是先對元器件進(jìn)行總劑量輻照試驗(yàn)，獲得其抗總劑量輻射能力，然后根據(jù)航天任務(wù)的抗總劑量指標(biāo)要求，選擇滿足要求的元器件用于新研產(chǎn)品。采用這種方法需要單獨(dú)為每種器件研制測試系統(tǒng)，對于大量使用無抗總劑量指標(biāo)的元器件的COTS產(chǎn)品而言，需要花費(fèi)大量的時間和精力。

本文提出一種板級總劑量試驗(yàn)方法，一次性對整塊電路板或整個設(shè)備進(jìn)行抗總劑量輻照試驗(yàn)，旨在快速驗(yàn)證COTS產(chǎn)品能否滿足低軌微小衛(wèi)星的抗總劑量輻射要求。

1 試驗(yàn)原理

1.1 輻照條件

板級總劑量試驗(yàn)需要同時對整塊電路板或整個設(shè)備上的所有元器件進(jìn)行輻照，且所有元器件接收到的總劑量應(yīng)基本相同，這就需要輻照源產(chǎn)生的射線或粒子有很強(qiáng)的穿透能力。目前可用于總劑量試驗(yàn)的輻照源有電子源、質(zhì)子源、60Coγ 射線源，其中只有60Coγ 射線源具有足夠強(qiáng)的穿透能力，可以用于板級總劑量試驗(yàn)。

開展板級總劑量試驗(yàn)，通常要求輻照劑量率不大于0.1 rad(Si)/s；在滿足要求的前提下，劑量率也不能太小，否則會導(dǎo)致試驗(yàn)時間過長。本試驗(yàn)選取的劑量率是0.1 rad(Si)/s，距離60Co輻照源5m（不同的60Co輻照源，劑量率為0.1 rad(Si)/s的位置距輻照源的距離可能不同）。微小衛(wèi)星使用的電子設(shè)備通常體積較小，厚度在10 cm 以內(nèi)。為了驗(yàn)證試驗(yàn)樣品所有電子元器件輻照劑量率的均勻性，對60Co源的劑量-深度曲線進(jìn)行了仿真計(jì)算[1]。60Co源產(chǎn)生2種能量的γ 射線，能量分別為1.17MeV 和1.33MeV。仿真計(jì)算條件：γ 射線能量為1.17MeV，粒子數(shù)為1.0×107，γ 射線垂直于鋁板入射，鋁板前有5m 厚的空氣層。鋁板共19層，前5層每層的厚度均為2mm，后面的鋁板每層厚度均為5 mm，仿真計(jì)算結(jié)果見圖1。通常電子設(shè)備外殼等效鋁厚度為2 mm，每層電路板和元器件的等效鋁厚度為4 mm，單機(jī)設(shè)備內(nèi)的電路板通常在3塊以內(nèi)。仿真計(jì)算結(jié)果表明，第3 塊電路板上的元器件比第1塊電路板上的元器件接收的劑量小3.1%。將γ 射線能量改為1.33MeV，其他條件不變，則第3塊電路板上的元器件比第1塊電路板上的元器件接收的劑量小2.1%。以上仿真分析為了提高仿真效率，γ 射線的入射方向均垂直于鋁板，且未考慮試驗(yàn)樣品隨著與γ 源間距離的增大而帶來的劑量率減小。實(shí)際的γ 源可近似為點(diǎn)源，劑量率與距離的平方成反比。本試驗(yàn)中第1塊電路板上的元器件距離γ 源5.0 m，第3塊電路板上的元器件距離γ 源5.1m；若單純考慮距離因素，則第3 塊電路板上的元器件比第1塊電路板上的元器件接收的劑量小3.9%。因此，綜合考慮輻射衰減和距放射源遠(yuǎn)近不同而帶來的輻射場不均勻性在7%以內(nèi)，滿足元器件總劑量試驗(yàn)對于輻射場不均勻性小于10%的要求[2]。

圖1 6 0Co源γ 射線經(jīng)5m 空氣層遮擋后在鋁中的劑量-深度曲線Fig.1 The dose-depth curve of 60Coγray in aluminum after an air shield of 5 m

1.2 測試系統(tǒng)

板級總劑量輻照試驗(yàn)測試系統(tǒng)的基本組成如圖2所示，60Co輻射性強(qiáng)，輻照過程中測試人員禁止進(jìn)入輻照間，因此測試設(shè)備須放置在輻照間以外，以便測試人員實(shí)時對試驗(yàn)樣品進(jìn)行監(jiān)測；為了減小輻照損傷，為輻照間內(nèi)試驗(yàn)樣品供電的穩(wěn)壓電源也放在輻照間外。試驗(yàn)過程中令被測試驗(yàn)樣品按照在軌的工作狀態(tài)持續(xù)帶電工作，試驗(yàn)人員在輻照間外對試驗(yàn)樣品的電流、電壓等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

圖2 板級總劑量輻照試驗(yàn)測試系統(tǒng)Fig.2 The board-level totaldose radiation test system

器件級總劑量試驗(yàn)要求至少將整個試驗(yàn)分成5次進(jìn)行輻照，每次輻照后進(jìn)行電參數(shù)測試。按照5 krad(Si)的輻照總劑量來計(jì)算，累積劑量平均每增加1.0 krad(Si)需要做1次電參數(shù)測試。本試驗(yàn)的測試系統(tǒng)具備實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)樣品功能、性能的能力，試驗(yàn)人員每1 h 填寫1次測試記錄。劑量率為0.1 rad(Si)/s時，可以滿足0.36 krad(Si)的測試精度。每次測試記錄填寫完成后對試驗(yàn)樣品進(jìn)行斷電重啟，避免某些器件只在設(shè)備啟動時使用，后續(xù)出現(xiàn)失效也無法被及時發(fā)現(xiàn)。

1.3 試驗(yàn)流程

板級總劑量試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證COTS產(chǎn)品能否滿足衛(wèi)星的抗總劑量要求，因此試驗(yàn)為驗(yàn)證試驗(yàn)。一塊電路板上可能同時包含MOS型器件和雙極型器件，而這2種器件的總劑量驗(yàn)證試驗(yàn)流程稍有不同——MOS型器件的試驗(yàn)流程比雙極型器件的多了加速退火流程。保守起見，本文開展的板級總劑量試驗(yàn)參照MOS型器件的試驗(yàn)流程開展。如果元器件在軌的實(shí)際總劑量小于5 krad(Si)，MOS型器件也可以不進(jìn)行加速退火試驗(yàn)。根據(jù)“實(shí)踐五號”探測結(jié)果，870 km 高度太陽同步軌道上，經(jīng)熱控涂層、衛(wèi)星蒙皮、2 mm 鋁屏蔽后在軌總劑量為1～1.5 rad(Si)/d[3]，假設(shè)在軌飛行時間為5年，則累積總劑量為1.83～2.74 krad(Si)。因此低軌微小衛(wèi)星中的元器件按照試驗(yàn)流程不需要進(jìn)行168 h 的高溫加速退火試驗(yàn)，可以節(jié)省試驗(yàn)時間和人力物力。

2 低軌短壽命衛(wèi)星輻照總劑量的確定

為了避免過設(shè)計(jì)，輻照總劑量的確定需要開展三維總劑量分析，即不僅考慮衛(wèi)星蒙皮對元器件的屏蔽作用，也要考慮衛(wèi)星上其他產(chǎn)品對元器件的屏蔽作用。三維總劑量分析結(jié)果更加接近元器件在軌的真實(shí)總劑量環(huán)境[4]。一塊電路板上有多個元器件，需對電路板上的多個元器件開展三維總劑量分析，找到電路板上環(huán)境總劑量最大的位置，以這個最大總劑量值并考慮一定的余量作為板級總劑量試驗(yàn)的輻照總劑量量級。

以3年壽命、700 km 高度太陽同步軌道衛(wèi)星為例，使用空間環(huán)境分析軟件Space 得到其一維劑量-深度曲線如圖3所示[5]。考慮3mm 鋁屏蔽，3年累積劑量為4.4 krad(Si)。以星載機(jī)為例，開展三維總劑量分析，3年累積劑量為1 krad(Si)左右。

圖3 3年壽命、700 km 高度太陽同步軌道衛(wèi)星一維劑量-深度曲線Fig.3 The one-dimensional dose-depth curve for SSO satellitew ith 700km height and three yearsservice life

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 板級和器件級總劑量試驗(yàn)的區(qū)別

器件級總劑量試驗(yàn)通過測試器件的輸入、輸出參數(shù)并與制定的失效判據(jù)進(jìn)行對比判斷器件是否失效。板級總劑量試驗(yàn)測試整塊電路板的電流、電壓、功能、性能，通過判斷電路板的功能、性能是否正常來判斷電路板上是否有器件發(fā)生失效。器件級總劑量試驗(yàn)制定的失效判據(jù)通常過于嚴(yán)苛，在實(shí)際的電路板上，即使單個器件的參數(shù)超差達(dá)到器件級試驗(yàn)制定的失效標(biāo)準(zhǔn)，電路板的功能、性能也不一定出現(xiàn)異常。因此，板級總劑量試驗(yàn)的失效判據(jù)能夠更準(zhǔn)確地反映電路板在軌的實(shí)際表現(xiàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

我們已經(jīng)開展了大量COTS產(chǎn)品的板級總劑量試驗(yàn)。包括星載計(jì)算機(jī)、測控模塊、數(shù)傳模塊、控制組件、電源控制器等。COTS產(chǎn)品使用的器件類型涵蓋集成電路、電阻、電容、電連接器、微波元件等。大部分COTS產(chǎn)品在接受10 krad(Si)的輻照之后都能繼續(xù)正常工作。很多COTS產(chǎn)品在輻照總劑量達(dá)到一定值后會出現(xiàn)功耗或電流變化的現(xiàn)象，如某星載計(jì)算機(jī)在輻照劑量達(dá)到5.76 krad(Si)時，電流開始發(fā)生變化，具體結(jié)果見圖4。試驗(yàn)劑量率為0.1 rad(Si)/s，每小時累積劑量為0.36 krad(Si)，星載計(jì)算機(jī)開啟（記為0時刻）同時施加輻照。

圖4 某星載計(jì)算機(jī)在輻照后電流發(fā)生變化Fig.4 The current vibration after radiation observed in an on-board computer

3.3 分析與小結(jié)

板級總劑量試驗(yàn)的目標(biāo)是驗(yàn)證COTS產(chǎn)品能否滿足型號衛(wèi)星的抗總劑量要求，而衛(wèi)星的目標(biāo)是獲得滿足型號抗總劑量要求的產(chǎn)品。如果板級總劑量試驗(yàn)證明COTS產(chǎn)品不能滿足型號的抗總劑量要求，則對失效器件進(jìn)行更換，再重新開展板級總劑量試驗(yàn)驗(yàn)證，直到COTS產(chǎn)品通過板級總劑量試驗(yàn)。我們開展的板級總劑量試驗(yàn)過程中曾出現(xiàn)幾次COTS產(chǎn)品部分功能異常的情況。如果只是少部分功能異常則繼續(xù)輻照，完成規(guī)定劑量的輻照之后再定位失效的元器件。但有些功能是由多個器件組合實(shí)現(xiàn)的，若這些功能出現(xiàn)異常，則無法直接定位失效元器件。此時需要在試驗(yàn)后先采用故障樹分析（FTA）圈定失效的元器件，然后將這個器件拆除，換上未經(jīng)輻照的同型號器件。若更換器件后COTS產(chǎn)品的功能恢復(fù)正常，則可以最終確定上述器件為失效的器件。之后尋找與失效器件功能類似的新器件，對新器件進(jìn)行器件級試驗(yàn)或使用新器件替換失效器件重新投產(chǎn)一塊電路板開展板級總劑量試驗(yàn)，直到試驗(yàn)通過。

4 結(jié)束語

本文論述了板級總劑量輻照試驗(yàn)測試系統(tǒng)的搭建、試驗(yàn)流程和試驗(yàn)過程中出現(xiàn)失效的處理方法。板級總劑量試驗(yàn)充分借鑒了器件級總劑量試驗(yàn)的條件和流程，可以客觀評價COTS產(chǎn)品上器件的抗總劑量能力；可以一次性對整塊電路板上的所有COTS器件進(jìn)行抗總劑量能力驗(yàn)證，大幅提高了試驗(yàn)效率。

某型號衛(wèi)星采用了大量COTS產(chǎn)品，采用本文所述的板級總劑量試驗(yàn)方法驗(yàn)證并進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)之后一直在軌穩(wěn)定運(yùn)行，截至目前已經(jīng)在524 km高度太陽同步軌道安全運(yùn)行4年。我們開展的大量試驗(yàn)實(shí)踐和COTS產(chǎn)品的在軌表現(xiàn)證明，本文提供的板級總劑量試驗(yàn)方法可操作性強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果可信。