CN109521295B - 一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法 - Google Patents

一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法 Download PDF

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Abstract

一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，包括步骤：1)获得所述待测试对象辐照前的电参数测试结果；2)制作成多个辐照试验线路板，分别进行不同剂量率、不同偏置的电离辐照试验，获得多个辐照剂量点的电参数测试结果；3)确定所述待测试对象的电参数退化量的比值和待测试对象的电参数退化可靠性影响因子；4)根据电参数退化量的比值和电参数退化可靠性影响因子，判定所述待测试对象是否具有低剂量率辐照损伤增强效应。本发明通过分别进行高低剂量率辐照试验，获得高低剂量率的对比数据，考虑元器件参数退化因子及低剂量率辐射损伤增强因子的大小，获得宇航用元器件是否具有低剂量率辐照损伤增强效应的评判结果。

Description

一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法
技术领域
本发明涉及一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，属于元器件抗辐射技术领域。
背景技术
航天器运行在空间辐射环境，会受到空间辐射的影响，需要考虑空间总剂量辐照效应，对航天器内的元器件需要进行抗总剂量能力评估。但卫星在轨运行少则几年多则十几年，空间辐射剂量率通常在0.01rad(Si)/s以下。受辐照周期较长，同常以年计算，地面模拟评估试验无法选取与空间在轨的剂量率进行实施，通常选取高剂量率环境下评估器件在轨抗低剂量率辐照的能力。由于双极线性或BiCMOS器件存在低剂量率辐照损伤增强效应，而在高剂量率辐照环境下评估该器件的抗总剂量能力较保守，会对在轨运行中的航天器带来辐射风险，甚至功能失效。因此需要考虑此类器件的低剂量率辐照损伤增强效应。
目前我国制定的电离总剂量辐照试验标准方面，没有专门考虑低剂量率辐照损伤增强效应，但目前已经发现大多数的双极线性、BiCMOS器件均具有一定的低剂量率辐射损伤增强效应，平均增强因子约为3～4，部分器件的增强因子可以达到十几甚至几十。也就是说，以现有的加速试验方法不能更加准确的评估出某些器件的抗辐射性能，而随着卫星型号用器件抗辐射需求的不断提高，需要我们更加精确的评估出器件的抗辐射指标，所以对于包含双极工艺的线性电路，需建立一种考虑低剂量率辐照损伤增强效应的试验方法来评估器件的抗辐射性能。
目前，国内尚未有一种评判元器件低剂量率辐照增强效应的方法，对于目前国内提出的一些低剂量率加速试验方法，并未给出明确的元器件低剂量率辐照损伤增强效应评判方法，无法给出元器件是否具有低剂量率辐照损伤增强效应。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，解决了在元器件进行抗辐射总剂量能力评估时，电离辐照剂量率确定的问题。
本发明的技术方案是：
一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，所述待测试对象为同类型同批次含双极工艺的元器件，包括步骤如下：
1)获得所述待测试对象辐照前的电参数测试结果；
2)将多个同类型同批次待测试对象制作成多个辐照试验线路板；将所述多个辐照试验线路板分组，分别进行不同剂量率、不同偏置的电离辐照试验，获得多个辐照剂量点的电参数测试结果；
3)根据所述步骤1)获得的所述辐照前的电参数测试结果和步骤2)获得的多个辐照剂量点的电参数测试结果，确定所述待测试对象的电参数退化量的比值和待测试对象的电参数退化可靠性影响因子；
4)根据所述步骤3)确定的电参数退化量的比值和电参数退化可靠性影响因子，判定所述待测试对象是否具有低剂量率辐照损伤增强效应。
所述电参数测试结果为所述待测试对象的失调电压值、输入失调电流值、偏置电流值、开环电压增益值、放大倍数、漏电流值中的一种或多种。
所述步骤2)将多个辐照试验线路板分组，分别进行不同剂量率、不同偏置的电离辐照试验的方法，具体为：将所述多个辐照试验线路板分为4n组，其中，2n组辐照试验线路板进行偏置处理，2n组辐照试验线路板不进行偏置处理；分别选取n组进行偏置处理的辐照试验线路板和n组未进行偏置处理的辐照试验线路板进行低剂量率的电离辐照试验，其余2n组辐照试验线路板进行高剂量率的电离辐照试验，n为正整数。
所述低剂量率的电离辐照试验的低剂量率选取范围小于0.0001Gy(Si)/s，所述高剂量率的电离辐照试验的高剂量率选取范围为0.01Gy(Si)/s～3Gy(Si)/s。
所述步骤3)确定所述待测试对象的电参数退化量的比值的方法，具体为：
Figure GDA0002854402750000031
其中，ST-LDSR和ST-HDSR为在同一辐照剂量点，所述低剂量率的电离辐照试验和高剂量率的电离辐照试验中获得的电参数测试结果，S0为辐照前该电参数的初测试值。
所述步骤3)确定所述待测试对象的电参数退化可靠性影响因子R的方法，具体为：
Figure GDA0002854402750000032
其中，PR为该待测试对象电参数的可靠性判据值。
所述步骤4)判定所述待测试对象是否具有低剂量率辐照损伤增强效应的方法，具体为：
当ΓLDSR/HDSR≥3且R≥1时，判定待测试对象具有低剂量率辐照损伤增强效应，则对与待测试相同类型批次的元器件进行抗辐射总剂量能力评估时，应进行低剂量率电离辐照试验；
当ΓLDSR/HDSR和R的值为其余情况时，判定待测试对象不具有低剂量率辐照损伤增强效应，则对与待测试相同类型批次的元器件进行抗辐射总剂量能力评估时，应进行高剂量率电离辐照试验。
所述高剂量率电离辐照试验高剂量率和低剂量率电离辐照试验的低剂量率之比大于1000倍。
所述步骤2)多个辐照剂量点的确定方法，具体为：辐照剂量从0开始至累计总剂量，每间隔50～200Gy(Si)设置一个辐照剂量点。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)本发明提出的评判元器件低剂量率辐照损伤增强效应的方法，与现有技术中半导体器件总剂量辐照试验方法中提出的相比，给出了元器件具有低剂量率辐照损伤增强效应评判的具体方法，为宇航用元器件抗电离总剂量辐射保证工作提供重要支撑，降低卫星选用双极工艺类器件的辐射风险，保证在轨卫星的长寿命和高可靠性；
2)本发明考虑不同工艺设计结构的线性电路，对低剂量率辐照后的增强效应各有差异。为表征线性电路对低剂量率辐射损伤增强效应的程度，建立“损伤增强因子”的概念，即两种不同剂量率条件下，在辐照至规定剂量率时，器件电参数退化量的比值，判定元器件是否有低剂量率辐照损伤增强效应的指标明确。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明实施例中所加辐照偏置图。
具体实施方式
为了解决元器件航天器空间应用时抗电离总剂量能力评估的问题。本发明所述的采用元器件参数退化可靠性影响和低剂量率辐射损伤增强效应影响，给出了进行低剂量率辐照损伤增强效应试验的被试器件、辐照源及剂量率的选取方法和确定原则；同时给出了辐照试验线路板制作和辐照偏置及负载条件的要求；通过分别进行高低剂量率辐照试验，获得高低剂量率的对比数据，并考虑元器件参数退化因子及低剂量率辐射损伤增强因子的大小，实现对宇航用元器件是否具有低剂量率辐照损伤增强效应的评判。本发明方法为宇航用元器件抗电离总剂量辐射保证工作提供重要支撑，降低卫星选用双极工艺类器件的辐射风险，保证在轨卫星的长寿命和高可靠性。
所述待测试对象为含双极工艺的元器件，包括：双极晶体管、双极型集成电路、以及含有双极工艺的集成电路，即选择双极线性或BiCMOS器件等可能会存在低剂量率辐照损伤增强效应的器件作为待测试对象。
一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，如图1所示，包括步骤如下：
1)获得所述待测试对象辐照前的电参数测试结果；
2)将多个同类型同批次待测试对象制作成多个辐照试验线路板；将所述多个辐照试验线路板分组，分别进行不同剂量率、不同偏置的电离辐照试验，获得多个辐照剂量点的电参数测试结果；电参数测试结果为所述待测试对象的失调电压值、输入失调电流值、偏置电流值、开环电压增益值、放大倍数、漏电流值中的一种或多种。分组方法，具体为：将所述多个辐照试验线路板分为4n组，其中，2n组辐照试验线路板进行偏置处理，2n组辐照试验线路板不进行偏置处理；分别选取n组进行偏置处理的辐照试验线路板和n组未进行偏置处理的辐照试验线路板进行低剂量率的电离辐照试验，其余2n组辐照试验线路板进行高剂量率的电离辐照试验。
其中，低剂量率的电离辐照试验的低剂量率选取范围小于0.0001Gy(Si)/s，高剂量率的电离辐照试验的高剂量率选取范围为0.01Gy(Si)/s～3Gy(Si)/s，同时，高剂量率电离辐照试验高剂量率和低剂量率电离辐照试验的低剂量率之比大于1000倍。辐照剂量从0开始至累计总剂量，每间隔50～200Gy(Si)设置一个辐照剂量点，优选的为100Gy(Si)。
3)根据所述步骤1)获得的所述辐照前的电参数测试结果和步骤2)获得的多个辐照剂量点的电参数测试结果，确定所述待测试对象的电参数退化量的比值和待测试对象的电参数退化可靠性影响因子；
待测试对象的电参数退化量的比值的方法，具体为：
Figure GDA0002854402750000051
其中，ST-LDSR和ST-HDSR为在同一辐照剂量点，所述低剂量率的电离辐照试验和高剂量率的电离辐照试验中获得的电参数测试结果，S0为辐照前该电参数的初测试值。
待测试对象的电参数退化可靠性影响因子的方法，具体为：
Figure GDA0002854402750000061
其中，PR为该待测试对象电参数的可靠性判据值。具体根据待测试对象的使用要求确定，当选取待测试对象的失调电压值进行电参数测试时，PR可为待测试对象的失调电压值的最大值或最小值。
4)根据所述步骤3)确定的电参数退化量的比值和电参数退化可靠性影响因子，判定所述待测试对象是否具有低剂量率辐照损伤增强效应。具体为：
当ΓLDSR/HDSR≥3，R≥1时，判定待测试对象具有低剂量率辐照损伤增强效应，则对与待测试相同类型批次的元器件进行抗辐射总剂量能力评估时，应进行低剂量率电离辐照试验；
当ΓLDSR/HDSR和R为其余情况时，判定待测试对象不具有低剂量率辐照损伤增强效应，则对与待测试相同类型批次的元器件进行抗辐射总剂量能力评估时，应进行高剂量率电离辐照试验。
实施例
试验器件选择
选择锦州777厂生产的G7J139MJ型低功耗、低失调四电压比较器作为被试器件。
辐射源为钴60γ射线源，辐射场在试验样品辐照面积内的不均匀性小于10％。辐照剂量率不确定度小于5％。辐照环境温度要求：15℃～30℃。采用了0.005rad(Si)/s和50rad(Si)/s两种剂量率辐照7J139器件，主要测试了输入失调电压、电源电流、输入偏置电流、输入失调电流、开环电压增益等参数。
试验线路板要求如下：
a)要选择对辐射不敏感的器件插座制作试验线路板，器件插座应不影响辐射场均匀性。试验线路板上除被试器件外的其它元器件要选用对辐射不敏感的器件，或对其进行充分的屏蔽；
b)试验线路板的几何设计及元器件的布局应保证待测器件接受到均匀的辐照；
c)整个系统的设计要减少漏电流、防止振荡等，尽量避免电应力损伤的发生。
辐照偏置和负载条件：
电离辐照试验过程中，被测器件应满足辐照试验规范规定的偏置和负载条件，至少需要8只样品每款器件，其中4只加带电偏置，4只不加偏电置辐照，辐照中器件加偏置条件详见图2。其中，试验规范规定的偏置和负载应符合下面的规定：
a)采用最劣偏置，即使器件辐射退化最严重的偏置条件。
b)一半样品加偏置，一半样品不加偏置，不加偏置的待测试对象各管腿短接。
c)选择负载应使器件结温上升少，以防辐射效应退火。
辐照前，所有被试器件电参数测试需要合格。辐照至规定剂量点后对器件进行电参数测试。
在电参数测量时，先用对比样品进行测试系统检查，测试数据和被试样品的测试数据一起保存。辐照前、后的电参数测试应在同一测试系统上进行，且测试项目的顺序和测试条件应保持不变。电参数测试可采用辐照中测试或移位测试。若采用辐照中测试，在整个系统处于试验位置后，应检查系统的连接、漏电和噪声电平是否符合要求。若采用移位测试，测试环境温度不得比辐照时的环境温度高10℃。
电离辐照试验的累积剂量点T要求至少达到500Gy(Si)，每间隔100Gy(Si)设置一个辐照剂量点。
对安装在试验线路板上的待测试对象，根据上述步骤确定的参量进行试验，先按照高剂量率条件从0辐照至规定剂量点，然后对器件进行电参数测试。再按低剂量率条件从0辐照至规定剂量点，然后对器件进行电参数测试，电参数测试判据依据最大超差值评判。根据测试结果评判该器件是否具有低剂量率辐照损伤增强效应，当有任一电参数具有低剂量率辐照损伤增强效应，则判定该器件具有低剂量率辐照损伤增强效应。评判标准见下表1。
表1低剂量率辐照损伤增强效应判定表
Figure GDA0002854402750000081
本实施例测试结果详见表2。
表2测试结果值
Figure GDA0002854402750000082
由表可知，输入失调电流、输入偏置电流和电压增益退化较大，但7J139器件的输入失调电流和电压增益没有明显的低剂量率辐照增强效应，而输入偏置电流有明显的低剂量率辐照增强效应。因此，判定7J139器件低功耗、低失调四电压比较器具有低剂量率辐照增强效应。在进行该类器件的抗辐射总剂量能力评估时，应进行低剂量率电离辐照试验。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，待测试对象为同类型同批次含双极工艺的元器件，其特征在于，包括步骤如下：
1)获得所述待测试对象辐照前的电参数测试结果；
2)将多个同类型同批次待测试对象制作成多个辐照试验线路板；将所述多个辐照试验线路板分组，分别进行不同剂量率、不同偏置的电离辐照试验，获得多个辐照剂量点的电参数测试结果；
3)根据所述步骤1)获得的所述辐照前的电参数测试结果和步骤2)获得的多个辐照剂量点的电参数测试结果，确定所述待测试对象的电参数退化量的比值和待测试对象的电参数退化可靠性影响因子；
4)根据所述步骤3)确定的电参数退化量的比值和电参数退化可靠性影响因子，判定所述待测试对象是否具有低剂量率辐照损伤增强效应；
所述步骤3)确定所述待测试对象的电参数退化可靠性影响因子R的方法，具体为：
Figure FDA0002854402740000011
其中，ST-LDSR为所述低剂量率的电离辐照试验中获得的电参数测试结果，PR为该待测试对象电参数的可靠性判据值，即，PR为该待测试对象电参数的最大值或最小值；
所述步骤4)判定所述待测试对象是否具有低剂量率辐照损伤增强效应的方法，具体为：
当ΓLDSR/HDSR≥3且R≥1时，判定待测试对象具有低剂量率辐照损伤增强效应，则对与待测试相同类型批次的元器件进行抗辐射总剂量能力评估时，应进行低剂量率电离辐照试验；
当ΓLDSR/HDSR和R的值为其余情况时，判定待测试对象不具有低剂量率辐照损伤增强效应，则对与待测试相同类型批次的元器件进行抗辐射总剂量能力评估时，应进行高剂量率电离辐照试验；
所述步骤3)确定所述待测试对象的电参数退化量的比值的方法，具体为：
Figure FDA0002854402740000021
其中，ST-LDSR和ST-HDSR为在同一辐照剂量点，所述低剂量率的电离辐照试验和高剂量率的电离辐照试验中获得的电参数测试结果，S0为辐照前该电参数的初测试值。
2.根据权利要求1所述的一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，其特征在于，所述电参数测试结果为所述待测试对象的失调电压值、输入失调电流值、偏置电流值、开环电压增益值、放大倍数、漏电流值中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，其特征在于，所述步骤2)将多个辐照试验线路板分组，分别进行不同剂量率、不同偏置的电离辐照试验的方法，具体为：将所述多个辐照试验线路板分为4n组，其中，2n组辐照试验线路板进行偏置处理，2n组辐照试验线路板不进行偏置处理；分别选取n组进行偏置处理的辐照试验线路板和n组未进行偏置处理的辐照试验线路板进行低剂量率的电离辐照试验，其余2n组辐照试验线路板进行高剂量率的电离辐照试验，n为正整数。
4.根据权利要求3所述的一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，其特征在于，所述低剂量率的电离辐照试验的低剂量率选取范围小于0.0001Gy(Si)/s，所述高剂量率的电离辐照试验的高剂量率选取范围为0.01Gy(Si)/s～3Gy(Si)/s。
5.根据权利要求1所述的一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，其特征在于，所述高剂量率电离辐照试验高剂量率和低剂量率电离辐照试验的低剂量率之比大于1000倍。
6.根据权利要求5所述的一种低剂量率辐照损伤增强效应判定方法，其特征在于，所述步骤2)多个辐照剂量点的确定方法，具体为：辐照剂量从0开始至累计总剂量，每间隔50～200Gy(Si)设置一个辐照剂量点。
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