宇航用vdmos的自动测试系统设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 宇航用 VDMOS 的自动测试系统设 计 【摘 要】为了评估宇航用 VDMOS 的电参数及抗辐射性能，本文 提出一个新的宇航用 VDMOS 参数测量 系统。在虚拟仪器架构上开发自动测量 程序及设计测量夹具，引入高 DC 偏置 电容测量与多路复用开关技术，构建出 一套多模式全自动切换、高精度、快速 参数测量系统。使用本系统对自主研发 的一款应用于宇航电子继电器的高压大 功率 VDMOS 开关管芯片的电参数和抗 辐射性能进行实测分析。分析了芯片的 传输特性、阈值电压、寄生电容等特征 参数在总剂量辐照前后偏差。讨论了管 芯栅氧厚度与总剂量辐照参数偏移量的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 关系，以及抗单粒子辐照极限工作电压 值。测试结果表明该 VDMOS 芯片性能 良好，为后续的改进及实际应用提供了 依据，同时该测试系统具备高效率，高 测量精度等优点。 中国论文网 /8/view-12932448.htm 【关键词】VDMOS；自动测试 系统；电参数；单粒子效应 中图分类号： TP274.4 文献标 识码： A 文章编号： 2095- 2457（2018）01-0039-004 【Abstract】In order to evaluate the electrical characteristics and radiation tolerance of VDMOS applied in aerospace， a new automatic test system was designed. Automatic measurement program and test setup are developed based on Virtual instrument framework， and by introducing techniques of the high DC bias capacitance measurement and the multiplex switch， a set of measurement -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 system with high accuracy and speed， which be able to automatically switch among multi-modes is constructed. Using this test system， a self-developed high voltage power VDMOS， applied in electronic relay for aerospace applications are tested and analyzed. The test and analyze parameters include radiation tolerance and electrical parameters. The deviation of the electrical characteristics before and after radiation experiments has been analyzed， including transfer characteristics， threshold voltage， and parasitic capacitance. The relationship between the gate oxide thickness and TID effects and anti-single particle irradiation limit operating voltage has also been discussed. The experiment results have shown the VDMOS chip performed well and pave the way for further performance improvements and practical applications. At the same time， this test system can -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 acquire the performance data effectively with great accuracy. 【Key words】VDMOS； Automatic test system； Electrical characteristics； Single event effects VDMOS （Vertical Double- diffused MOSFET）具有快速_关、低 功耗、高度线性跨导、良好的频率特性 等特点，广泛应用于航天电源系统的控 制与调节。然而，VDMOS 在太空实际 工作时会受到宇宙射线、高能粒子的影 响，容易导致 VDMOS 电参数恶化，如 单粒子栅穿 SEGR（Single Event Gate Rupture）与单粒子烧毁 SEB（Single Event Burnout） ，甚至功能失效1-3。 因此，宇航用 VDMOS 要求在使用时具 备极高的可靠性。 为了评估 VDMOS 的电参数及抗 辐射性能研发人员设计了大量的测试系 统。文献4提出了一种以单片机为核心 的参数测试仪，简单且易于实现，能满 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 足一般的测量需求，可由于使用互感元 件使得自身干扰极大，系统稳定性差且 可测量不全；文献5介绍的 A/D 采样 计数的辐射效应测试装置，能够实时检 测计数脉冲等试验数据，但存在误采样、 采样精度不够等隐患。文献6提出的基 于矢量网络分析仪测量寄生电容的方法， 其测量结电容准确性高，可对功率 MOSFET 的测量工作频率局限于 10MHz-15MHz。此外，现有的测量系 统较为分立、缺乏通用性，实际使用时 需要较高的人工参与度，测量效率低， 严重制约着宇航用 VDMOS 的准确性能 评估。 基于上述，本文提出并实现了一 套新的宇航用 VDMOS 参数测量系统， 在虚拟仪器架构基础上，通过引入高 DC 偏置电容测量与多路复用开关技术， 并结合设计的自动测量程序与测量夹具， 可实现 VDMOS 电参数的高精度测量和 抗辐射性能测试分析。该方案相比于传 统测试方案具有以下特点：可测参数项 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 覆盖全，且具备不同电参数测量模式间 全自动切换、数据结果智能分析并生成 报表、灵活性强且可伸缩配置等。使用 该系统对自主研发的一款应用于宇航电 子继电器的高压大功率 VDMOS 开关管 电参数进行分析测量，为其在后续改进 及航天系统应用方面提供依据。 1 自动测试系统设计 1.1 系统架构与硬件设计 测试系统的框架图如图 1 所示。 通过 PC 机上的测量软件结合测量夹具 中相应的功能模块，实现各类测量仪器 输出控制、数据采集与处理以及结果的 判别保存。 系统实物图如图 2 所示。测试系 统所使用的 Agilent B1505 是带高电压 源测量单元（HVSMU ） 、强电流源测量 单元（HCSMU ） 、高功率源测量单元 （HPSMU）以及多频电容测量单元 （MFCMU）的分析仪7。其中 HVSMU 的测量输出范围是 10 fA-8 mA/200 uV-1500 V，可以为器件的击穿 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 电压参数测量提供漏端电压；HCSMU 的驱动电流可达到 20 A，因此可为测量 器件的输出特性提供漏极偏置； MFCMU 是测量器件寄生电容的主要模 块8。Fluke 8808A 的作用是用于器件 在抗辐射试验时输出电压的监测，R&S RTO1004 示波器具备 600M 带宽、 10Gsa/s 采样率，用于开关时间的数据 采集。 为了全面测试分析芯片的传输特 性、阈值电压、寄生电容等特征参数在 总剂量辐照前后的偏差，管芯栅氧厚度 与总剂量辐照参数偏移量的关系，以及 抗单粒子辐照极限工作电压值。本系统 设计的测量夹具支持静态参数、寄生电 容、开关时间测量与抗辐射性能评估等 多种功能，四个主要功能模块如图 3 所 示。 静态参数测量时，对于不同测量 量，需要用功能不同的源测量单元对 VDMOS 漏极进行测量，为实现不同源 测量单元之间的高效切换，测量夹具采 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 用如图 3（a）所示静态参数测量模块。 测量时根据接收到的程序指令，通过虚 线框中不同的模块选择器，实现高电压 源测量单元、强电流源测量单元、高功 率源测量单元之间的自动切换，从而使 测量效率大幅提高。 器件的寄生容测量主要依据自 动电桥平衡电路来实现。针对此类高 DC 偏置的电容测量，在测量夹具中采 用如图 3（b）的模块。如图 3（c）所 示，在测量 Cgs 时，由于漏极与 AC 保 护端连接并处于高压状态，因此利用电 阻器减少多频电容测量单元对高电压源 测量单元的干扰，并引入保护电容使得 从漏端看到的交流保护阻抗小于源/漏极。 通过引入多路复用开关技术实现寄生电 容测量自动化。此外，在上述高 DC 偏 置的电容测量中，将 MFCMU 四个输出 接口的外屏蔽短接，为屏蔽中的感应电 流建立返回路径。利用开路补偿消除电 缆间及 DUT 与地之间的杂散电容影响， 且采用短路补偿消除测量路径中的残余 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 电感与电阻影响，极大的保证了测量精 度。 开关时间的测量以及抗辐射性能 评估试验主要通过如图 3（d）所示的功 能模块完成。开关时间测量时，SMU 提供电压偏置并控制开关的状态切换， 示波器捕获这一变化的过程波形及数据。 评估 VDMOS 抗辐射能力主要包括总剂 量与单粒子测验。在总剂量与单粒子测 验时，偏置与监测栅极和漏极电压电流 是通过源测量单元来实现，输出电压是 由台表探测获得。 1.2 软件设计 为了提高软件开发效率，本测试 系统的软件开发采用 LabVIEW 图形化 编程语言。包括静态参数 I-V 测试、寄 生电容测试、开关时间测试、抗辐射性 能测量。 软件流程图如图 4 所示，在程序 运行前选择通讯地址。程序通过 GPIB、RS232、TCP/IP 网络协议等通信 协议并行对各设备进行初始化。自动依 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 次选定待测量后，对所使用的仪器进行 配置与数据采集。在所有测量完成后， 释放软硬件资源，最后退出程序。 对于静态参数测量，根据不同 I- V 曲线需求，使用顺序结构程序逐一自 动选择 HPSMU、HCSMU、HVSMU 进 行组合。为了能够消除影响测量结果的 器件自热效应，根据 VDMOS 导通电阻 正温度系数特性，将施加于栅、漏极的 SMU 配置为同步阶梯步进脉冲输出。 所采用的脉冲占空比为 0.1%。测量程 序采用 While 循环以及事件触发方式， 首先执行 VDMOS 脉冲遍历扫点获取所 有 I-V 曲线特性，其次使用数据处理程 序对阈值电压（Vth） 、漏极电流 （IDSS ） 、栅极电流（ IGSS） 、导通电 阻（RDS（on） ） 、截止电压（BVDSS） 等参数进行提取。 如图 5 所示为测量寄生电容时， 其程序实现方式。在设备初始化后，软 件程序将进行相位、开路和短路补偿， 对仪器进行配置，使其在固定交流信号、 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 不同直流偏置下执行测量。由自动电桥 平衡以及公式（1）和公式（2）即可得 实际阻抗 Zdut，从而计算出寄生电容值。 公式（1）中的 V1、V2 分别为图 3（b）所示电位计 Hp 和锁定测量信号 相位电位计 Lp 实际测得的电压，R2 为 电桥内阻；公式（2）中 Zm 为系统整 体测得的阻抗值，Zs 和 Yo 分别为短路 补偿测得的阻抗值、开路补偿所测得的 导纳值。 Z=（ 1） Zdut= （2） 测量开关时间时，程序控制 SMU 使 VDMOS 处于一定工作偏置并 进行开关切换，同时示波器以触发模式 捕获其过程，并利用 TCP/IP 网络协议 从示波器中取回波形数据，从中识别电 压、电流变化规定值所对应的时间差值 量。而对于单粒子试验，程序控制 SMU 设定规定偏置后，在试验过程中 连续采集栅漏电流和输出电压，并实时 进行数据分析，依据试验中的偏置以及 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 栅漏电流变化识别是否发生 SEB、SEGR。此外，巧妙利用顺序结 构、while 循环、事件触发、选择结构 等使软件具备良好的人机交互能力，试 验者可及时进行突发情况处理。 2 测试结果 本文利用上述所设计的测量系统， 对一款 BVDSS=200V 的应用于宇航电 子继电器的高压大功率 VDMOS 开关管 进行测试分析，并评估芯片的性能。测 试内容包括电参数、总剂量和抗辐射性 能。 2.1 电参数测试 首先对 VDMOS 芯片进行电参数 性能评估。本系统电压测量精度最高是 200nV、最低是 40V，电流测量精度最 高是 10pA、最低是 40A。将检测数据 和 Verigy 大型高精度自动测试机台检测 得到的数据进行比较，误差小于 0.45%。这表明此 VDMOS 芯片的电性 能良好，并且本文设计的测量系统具有 极高的精度。 2.2 总剂量 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 （TID）试验 由于该 VDMOS 芯片是应用于航 天电子继电器系统，会受到空间辐射作 用，因此还须进行总剂量试验与单粒子 试验以评估其抗辐射性能。 VDMOS 选取 ON 状态 （VGS=10V） ，使用 60Co 射线对其以 剂量步进方式照射至 100krad。分别在 试验前、50krad 、试验后三个不同时段 对 VDMOS 的各项电参数进行测量。从 图 6（a）可以看出，传输特性曲线随着 照射总剂量的增大逐渐向负方向偏移。 阈值电压 Vth 也向负方向偏移，从 4.251V 向负方向漂移至 3.383V、2.992V。这是因为栅氧中氧化 物陷阱电荷通常带正电荷（oxide trapped charges） ，其对阈值电压的漂移 起到决定性的作用。平带电压决定了界 面陷阱（interface traps）的正负性。辐 照后，栅氧中产生的氧化物陷阱电荷量 远大于界面电荷，使阈值发生了左移。 图 6（b）则是栅氧厚度分别为 45nm 和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 100nm 时辐射前后的传输特性变化图。 由图可见，阈值的漂移程度主要取决于 栅氧的厚度。在相同工艺条件下，栅氧 的厚度越厚，产生的氧化物陷阱电荷越 多，阈值左移的幅度就越大。器件电容 特性的变化在总剂量试验前后的结果如 图 6（c） 、 （d ）所示。VDS 的变化对 VDMOS 的栅源电容 Cgs 影响很小，对 栅漏电容 Cgd 影响较大，这是 VDS 偏 压使耗尽层的大小发生变化而引起的。 以上所述的总剂量试验在中国计量院完 成，根据上述总剂量试验分析可看出所 测的 VDMOS 的抗总剂量性能达标，并 且本文设计的测量系统具有较高的测量 效率。 2.3 单粒子（SEE）试验 采用本文设计的系统在中科院兰 州近代物理研究所对同一批次的 VDMOS 进行单粒子性能评估。试验时 VGS 在三种不同的偏置电压下，即 0V、-5V 、-10V，在此三种偏置电压下 VDS 从 0V 递增至 200V。试验结果如 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 15 图 7（a）所示，当 VGS=0V，VDS=100V，VDS 低于单粒 子辐射环境 VDMOS 正常工作时的最高 截止电压值的情况下，栅极电流和漏极 电流变化很小。但是漏极电流随着 VDS 逐步增加而增加，当 VDS=160V 时，发 生单粒子烧毁现象，此时漏极和栅极电 流发生突变，同时试验器件上可观测到 小范围区域