一种基于低能X射线的MCM/HIC电路总剂量辐照试验方法

摘要

本发明公开了一种基于低能X射线的MCM/HIC电路总剂量辐照试验方法，首先通过分析MCM/HIC电路，确定MCM/HIC电路中的辐照敏感元器件，然后在MCM/HIC电路工作状态下，使用辐照夹具针对一个或多个敏感元器件进行辐照，确定这些敏感元器件在电路工作中的抗辐射能力，最后对整个MCM/HIC电路进行总剂量辐照，并采用在线监测的方式测试MCM/HIC电路的电参数。采用本发明技术，可以实现对多芯片混合集成电路进行抗辐照总剂量水平试验评价，既可以评价整个电路的抗辐照能力，也可以研究电路中辐照敏感元器件的抗辐照能力，有利于针对电路局部进行抗辐照加固设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于低能X射线的MCM/HIC电路总剂量辐照试验方法，通过这种方法对MCM/HIC电路整体及内部的敏感元器件进行X射线总剂量辐照，来确定MCM/HIC电路及其内部敏感元器件的抗辐射性能。

背景技术

混合集成电路(HIC)和多芯片组件(MCM)是一种介乎于PC电路板与单芯片电路之间的一种电路封装模块，MCM/HIC不仅能完成比单芯片更为复杂的功能，且承受的耗散功率远比单芯片电路大。因为MCM/HIC电路具有封装密度高、功能复杂和散热好的特点，特别适合在航天中应用。应用于空间和核电系统的HIC/MCM电路将有可能暴露于各种等级的电离辐射剂量中，因此在设计和制备这些特殊用途电路的过程中，首先要确保有合适的试验方法和程序来确定这些电路的抗辐加固性能。

目前国内用于MCM/HIC电路的总剂量辐射的试验技术采用的是⁶⁰Coγ射线源按照GJB548A-96方法1019.5“电离辐射(总剂量)试验程序”进行的，如图2所示，MCM/HIC电路是作为一个整体置入沽源中进行辐照试验，并用通过和不通过的试验方式，通过这些试验最终得到的是某器件通过(或者不通过)某一辐射等级的总剂量辐射试验。美军标883E方法1019.5规定的电离辐射试验程序流程图可参阅图1所示。其中，标准中使用钴60(⁶⁰Co)γ射线源，对象是已封装的半导体集成电路。辐照过程中试验样品应放在Pb/Al容器内进行稳态辐射，剂量率范围在50至300rads(Si)/s之间。在每个辐射等级完成后进行电测试，电测试既可以选择辐射中测试，也可选择移地测试，移地测试中要尽量最小化时变效应。标准推荐辐射偏置最好选择最劣条件，即能诱发最大损伤的偏置。随后根据需要选择是否进行辐射后的退火试验以及进行何种退火实验。

该标准中使用的试验方法只能确定整个MCM/HIC电路达到某个抗辐射等级，无法得知MCM/HIC电路内部敏感元器件的抗辐射性能。这种方法对于评价电路的抗辐照能力是可行的，但如果需要对电路的抗辐照加固设计效果进行评价，或是需要研究MCM/HIC电路中辐照敏感部件，为有针对性的辐射加固改进提供依据，这种方法就显得粗糙了一些。

发明内容

本发明的主要目的是针对MCM/HIC电路的总剂量辐照的试验，提出了一种对MCM/HIC电路整体及内部的敏感元器件进行X射线总剂量辐照试验方法。

本发明主要是通过以下技术方案实现的：首先分析MCM/HIC电路，确定MCM/HIC电路中的辐照敏感元器件，然后在MCM/HIC电路工作状态下，使用辐照夹具针对一个或多个敏感元器件进行辐照，确定这些敏感元器件在电路工作中的抗辐射能力，最后对整个MCM/HIC电路进行总剂量辐照，并采用在线监测的方式测试MCM/HIC电路的电参数。

与现有技术相比，本发明中采用的低能X射线比钴60(⁶⁰Co)源的安全问题更容易掌握。同时可以提供相对较低的剂量率，因此减少了试验时间。且本方法采用了只针对电路敏感元器件及针对整个电路相结合的总剂量辐照试验方法，使用本方法的MCM/HIC电路总剂量辐照试验方法，既可以评价整个电路的抗辐照能力，也可以研究电路中辐照敏感元器件的抗辐照能力，有利于针对电路局部进行抗辐照加固设计。

附图说明

图1为本发明的试验流程图；

图2为电离辐射试验程序流程图；

图3为DC-DC电源模块的电路原理图；

图4为辐射与测试线路图；

图5为屏蔽板放置在DC-DC电源模块上形貌示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述：

如图1所示，MCM/HIC电路总剂量辐照试验方法的具体步骤按如下进行：

步骤1：MCM/HIC电路分析。使用PSPICE软件对电路进行模拟仿真，确定MCM/HIC电路中的辐照敏感元器件，如光电器件、微电路等。

步骤2：样品的抽样和处置。因为光子有限的穿透能力，电离辐射效应试验只针对没有封装的器件(如圆片级)或开盖的封装器件。另外只有符合试验计划规定的电参数规范的多芯片器件才能提交辐射测试。每个器件应该单独编号，以便在辐射前后能进行识别对比。对于ESD敏感类器件，应采用ESD防护技术以防止损坏器件。

步骤3：剂量率的选择。X射线试验中的剂量率一般在2到30Gy(Si)/s(200到3000rads(Si)/s)之间，而Co-60试验的剂量率一般在0.5到3Gy(Si)/s(50到300rads(Si)/s)之间。在选择辐射剂量率时要考虑两个方面的问题：一是多芯片混合集成电路中既有元件，也有MOS和Bipolar结构的器件，在选择剂量率时要综合考虑这几种元器件的最劣辐照情况，必要时要根据实际情况选择其它剂量率。二是时变效应的影响。

步骤4：辐射偏置设置。辐射中混合集成电路的偏置设置与试验计划中规定值之间的偏差应保持在±10％以内。

混合集成电路辐照时的偏置条件可以分为：工作条件、极限条件和空载条件三种。工作条件为电路的常规工作状态设置；极限条件为电路的辐射最劣条件，一般情况下是满足电路中各器件达到最劣条件的设置；空载电路所有端口悬空或接地的条件。如果规划中没有特别指明，则选择极限条件。

步骤5：电性能测试。辐射过程中对多芯片混合集成电路进行电测试和功能测试来表征辐射响应。电性能测试既可以采用辐射中测试，也可以采用移地测试。如果选用移地测试，则必须在20分钟内完成测试来最小化转移过程中产生的效应，如果器件属于封装器件(已开盖)，则在转移过程中应去除试验器件上所加载的偏置，且器件管脚放入导电海绵(或类似的短接电路)中，使辐射后的时变效应最小。

试验中辐射诱生的带电粒子在电路中的产生和退火所造成的电参数的变化与时间强烈相关，因此，在试验计划中尤其要注意对辐射和电性能测试进行合理的时间安排和规定。除非是为了研究时变效应，否则从一次辐照结束到电测试开始的时间间隔不应太长。另外除非有特别的规定，电测试应在辐照结束后的20分钟内开始。通常最好是进行辐射中测试或辐射后立即进行电测试。

步骤6：针对一个或多个敏感元器件的辐照试验。使用混合集成电路辐照夹具屏蔽电路中的其余元器件，只针对电路中一个或多个关键部件进行X射线总剂量电离辐照试验，并记录下各辐照总剂量条件下的混合集成电路的电性能和功能测试数值。

步骤7：整体电路辐照试验。对整个多芯片混合集成电路进行X射线总剂量电离辐照试验，记录下各辐照总剂量条件下的电性能和功能测试数值。

步骤8：退火实验。

退火时的偏置与辐照偏置一致，退火温度125℃，退火时间为24～48小时。

以典型DC-DC电源转换模块为例，此样品工作输入电源电压为20V～36V，输出电压为+5V。该DC-DC电源模块由输入滤波、供电、脉宽调制(PWM)控制器、功率变换、整流输出滤波和隔离反馈电路组成。输入滤波电路主要是为了滤掉来自外部的噪声、纹波；供电部分给控制器供电；PWM控制器是本电路的核心部分，提供一个频率为300kHz的可控脉冲信号，用于驱动功率开关管；功率开关管和变压器完成能量转换；整流滤波将功率脉冲电平转换为直流电平，最终得到所需的直流电压。隔离反馈电路从输出取样到控制器的误差放大器来实现对电路稳压的控制。

首先使用PSPICE软件对电路进行模拟仿真，确定电路中的辐照敏感元器件，其基本的电原理图如图3所示，其中的负反馈回路由光耦U4和稳压管D2构成，光耦和稳压管检测变压器的输出并产生一个大小相关的电流，输入脉宽调制模块U2产生一个占空比受电流控制的方波。这个方波作为开关管U3的栅级电压，控制其导通与截止。

通过PSPICE软件的模拟发现电源模块的输出电压受稳压二极管的稳定电压BV的影响最为严重，当BV受辐照的影响变小时，输出电压也会较大幅度的地变小。同时也受滤波器电容C1的容值所影响，虽然幅度影响不大，却会影响到输出电压的波形，使其发生畸变。再其次就是光耦U4的电流增益，它对输出电压的影响虽然不大，但是X射线电离辐射会产生很大的光电流，这会使光耦U4的电流增益产生极大变化，从而影响到输出电压值。

然后对DC-DC电源模块样品进行抽样和处理，每个模块应该单独编号，以便在辐射前后能进行识别对比。辐照试验前需对DC-DC电源模块进行电性能测试，选择符合试验计划规定的电参数规范的模块。因为光子有限的穿透能力，电离辐射效应试验只针对没有封装的模块，因此需将DC-DC电源模块进行开封，使内部芯片暴露出来。

接下来是选择DC-DC电源模块的X射线电离辐照剂量率和辐照偏置条件，X射线试验中的剂量率一般在2到30Gy(Si)/s(200到3000rad(Si)/s)之间，在本次试验中选用的辐照剂量率为100krad(Si)/min(约1667rads(Si)/s)。混合集成电路辐照时的偏置条件可以分为：工作条件、极限条件和空载条件三种。工作条件为电路的常规工作状态设置；极限条件为电路的辐射最劣条件，一般情况下是满足电路中各器件达到最劣条件的设置；空载电路所有端口悬空或接地的条件。在本次试验中选用的辐照偏置条件是工作条件，辐射时的输入电压为28V，输出接100Ω的电阻，并在输入与输出都连接有抗干扰电容，其辐射与测试线路图见图4所示。在辐照试验中采用在线监测的方法测试辐照输出的电压值和电流值等参数。

对初测过的DC-DC模块进行X射线电离辐照试验，首先进行针对一个或多个敏感元器件的辐照试验。使用混合集成电路辐照夹具屏蔽DC-DC电源模块中的其余元器件，只针对电路中一个或多个关键部件进行X射线总剂量电离辐照试验，其形貌图如图5所示。辐照过程中记录下各辐照总剂量条件下的混DC-DC电源模块的电性能和功能测试数值。

然后对DC-DC电源模块整体电路进行X射线电离辐照试验辐照试验，并在辐照过程中记录下各辐照总剂量条件下的电性能和功能测试数值。

最后在采用工作时的偏置条件对DC-DC电源模块进行退火试验，退火温度125℃，退火时间为24～48小时。