一种低温辐照综合试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种采用低温辐照同步进行的半导体器件测试技术。

背景技术

半导体器件是航天器关键系统中应用最广泛的电子器件之一；空间电子辐照效应中对半导体器件影响最严重的辐射损伤是总剂量辐射损伤；总剂量辐射效应主要会令半导体器件的氧化层中产生电子空穴对，生成氧化物俘获正电荷，导致器件性能退化甚至失效；低温环境下，半导体器件的载流子迁移率会有所增加，漏电特性有所改善，亚阈值开关特性更陡；在低温下运行的电路，会有更高的速度和可靠性，出错率也会更低；空间环境中的真空、电子辐照、低温等综合效应对航天用半导体器件损伤极大，会导致器件的异常或失灵，甚至导致航天器发生灾难性的事故，而现有仪器设备无法同时模拟太空环境中的真空、辐照以及低温，以实现对半导体器件的测试。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有仪器设备不能实现对半导体器件低温与电子辐照同时测试的问题，提出了一种低温辐照综合试验装置及试验方法。

本发明所述的一种低温辐照综合试验装置，该综合试验装置设置在电子辐照舱室内；该综合试验装置包括高频高压电子加速器、恒温真空仓、屏蔽箱、PCB板、风冷压缩机、温度控制仪、无油分子泵和杜邦线；

所述恒温真空仓横向水平放置，并且恒温真空仓的头部顶端设有光学窗口；所述高频高压电子加速器位于光学窗口的正上方，高频高压电子加速器用于产生并加速电子，所述电子的运动方向为竖直向下，电子的辐照剂量由待测器件的结构参数决定；

所述风冷压缩机、温度控制仪和无油分子泵分别设置在屏蔽箱内，并且屏蔽箱的一侧与恒温真空仓的尾部相连通；其中，风冷压缩机用于降低恒温真空仓内的温度，温度控制仪用于调节恒温真空仓内的温度；无油分子泵用于将恒温真空仓抽成真空；

恒温真空仓的头部侧壁上设有连接口，所述PCB板以覆盖的方式固定在该连接口处；其中，PCB板的引线格式也是由待测器件的结构参数决定；

待测器件放置于恒温真空仓的头部内，并通过螺丝钉进行固定，待测器件的引脚通过杜邦线与PCB板的引线相连。

进一步的，该综合试验装置还包括两个装置支架和水平平台；

所述水平平台设置在电子辐照舱室内，并且水平平台的上表面处于水平状态；

两个装置支架分别设置在水平平台的上表面，并且一个装置支架支撑在恒温真空仓的头部外侧底面上，另一个装置支架支撑在恒温真空仓尾部外侧底面上。

进一步的，所述PCB板的外侧设有外部电学测试点；

进一步的，所述恒温真空仓内还设置有热电偶、冷头、导热铜柱和样品固定台；

所述导热铜柱的一端与风冷压缩机的降温口相连，导热铜柱的另一端与冷头的一端固连，冷头的另一端与样品固定台固连；样品固定台用于将待测器件固定在其上表面；

所述热电偶固定在冷头的侧壁上，并且热电偶通过温度控制仪进行控制。

一种低温辐照综合试验方法，该试验方法包括以下步骤：

步骤一、根据待测器件的结构参数，确定所需低温条件，确定所需电子辐照剂量，确定PCB板4的引线格式；

步骤二、根据步骤一确定的PCB板的引线格式，设计PCB板的板外边框、放置安装孔、标注尺寸、布局布线、大面积敷铜和网格敷铜、摆放丝印，并将设计好的PCB板以覆盖的方式固定在恒温真空仓的头部侧壁上；

步骤三、将待测器件放置在样品固定台上，并通过杜邦线将待测器件的引脚与PCB板的引线相连；

步骤四、打开无油分子泵，将恒温真空仓抽成真空；

步骤五、通过温度控制仪对恒温真空仓内的温度进行调节，使得恒温真空仓达到步骤一中确定的所需低温条件；

步骤六、通过控制高频高压电子加速器产生并加速电子对待测器件进行电子辐照，当高频高压电子加速器产生的电子达到步骤一中确定所需电子辐照剂量时，完成试验。

进一步的，步骤一中确定的所需低温条件为10K～300K。

进一步的，步骤四中恒温真空仓抽成真空后，其内部空气的量级为10

本发明的有益效果为：在电子辐照舱室内搭建恒温真空仓的方式来实现低温和电子辐照同步测量及原位表征；该综合试验装置通过无油分子泵抽真空来模拟太空真空环境，同时保护待测器件不受空气中的水汽影响；通过风冷压缩机降温来模拟太空低温环境；通过高频高压电子加速器发出的电子来模拟太空中的电子辐照；为待测器件空间可靠性的测试提供了试验条件。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种低温辐照综合试验装置结构示意图；

图2为具体实施方式一中恒温真空仓内部结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种低温辐照综合试验装置，该综合试验装置设置在电子辐照舱室7内；其特征在于，该综合试验装置包括高频高压电子加速器1、恒温真空仓2、屏蔽箱3、PCB板4、风冷压缩机8、温度控制仪9、无油分子泵10和杜邦线12；

所述恒温真空仓2横向水平放置，并且恒温真空仓2的头部顶端设有光学窗口2-1；所述高频高压电子加速器1位于光学窗口2-1的正上方，高频高压电子加速器1用于产生并加速电子，所述电子的运动方向为竖直向下，电子的辐照剂量由待测器件11的结构参数决定；光学窗口2-1为无液氦光学窗口；

所述风冷压缩机8、温度控制仪9和无油分子泵10分别设置在屏蔽箱3内，并且屏蔽箱3的一侧与恒温真空仓2的尾部相连通；其中，风冷压缩机8用于降低恒温真空仓2内的温度，温度控制仪9用于调节恒温真空仓2内的温度；无油分子泵10用于将恒温真空仓2抽成真空；各个仪器之间通过导线和导管进行连接，实现气体和温度交换；

恒温真空仓2的头部侧壁上设有连接口，所述PCB板4以覆盖的方式固定在该连接口处；其中，PCB板4的引线格式也是由待测器件11的结构参数决定；

待测器件11放置于恒温真空仓2的头部内，并通过螺丝钉进行固定，待测器件11的引脚通过杜邦线12与PCB板4的引线相连。

在本实施方式中，综合试验装置还包括两个装置支架5和水平平台6；

所述水平平台6设置在电子辐照舱室7内，并且水平平台6的上表面处于水平状态；

两个装置支架5分别设置在水平平台6的上表面，并且一个装置支架5支撑在恒温真空仓2的头部外侧底面上，另一个装置支架5支撑在恒温真空仓2尾部外侧底面上。

在本实施方式中，首先通过具有无液氦光学窗口2-1的恒温真空仓2形成真空低温环境，再将电子束通过光学窗口2-1照射到待测器件11上；

在本实施方式中，所述PCB板4的外侧设有外部电学测试点2-2；外部电学测试点2-2用于方便测试。

在本实施方式中，所述恒温真空仓2内还设置有热电偶2-3、冷头2-4、导热铜柱2-5和样品固定台2-6；

所述导热铜柱2-5的一端与风冷压缩机8的降温口相连，导热铜柱2-5的另一端与冷头2-4的一端固连，冷头2-4的另一端与样品固定台2-6固连；样品固定台2-6用于将待测器件11固定在其上表面；

所述热电偶2-3固定在冷头2-4的侧壁上，并且热电偶2-3通过温度控制仪9进行控制。

具体实施方式二：本实施方式是基于具体实施方式一所述的一种低温辐照综合试验装置的试验方法，该试验方法包括以下步骤：

步骤一、根据待测器件11的结构参数，确定所需低温条件，确定所需电子辐照剂量，确定PCB板4的引线格式；

步骤二、根据步骤一确定的PCB板4的引线格式，设计PCB板4的板外边框、放置安装孔、标注尺寸、布局布线、大面积敷铜和网格敷铜、摆放丝印，并将设计好的PCB板4以覆盖的方式固定在恒温真空仓2的头部侧壁上；其中，设计PCB板4的引脚应满足如下条件：

根据待测器件11的引脚大小、数量设计合适的针脚间距、数目；

采用Cadence软件中的Allegro模块设计PCB板外边框、放置安装孔、标注尺寸、布局布线、大面积敷铜和网格敷铜、摆放丝印；将设计好的PCB板4安装于恒温真空仓2的头部，压实固定，防止抽真空时漏气；Cadence Allegro系统互连和系统级封装(SiP)技术支持IC/封装协同设计，可同时优化硅芯片及其封装。Allegro工具提供了一个全面的PCB设计、分析和物理布局解决方案。Cadence OrCAD PCB设计解决方案具有成本效益、可扩展和功能丰富，而Cadence SigrityTM技术可提供唯一经过验证的系统级、电源感知信号完整性/同步开关噪声(SSN)分析和仿真；

步骤三、将待测器件11放置在样品固定台2-6上，并通过杜邦线12将待测器件11的引脚与PCB板4的引线相连；

步骤四、打开无油分子泵10，将恒温真空仓2抽成真空；抽真空的目的：一是为了模拟太空中的真空环境，二是防止空气中的水汽附着在器件上，造成短路等电气问题；

步骤五、通过温度控制仪9对恒温真空仓2内的温度进行调节，使得恒温真空仓2达到步骤一中确定的所需低温条件；温度控制原理：风冷压缩机8给冷头2-4持续降温，通过导热铜柱2-5将温度传给样品固定台2-6；由于风冷压缩机8是只能制冷，所以在冷头2-4上装上了热电偶2-3，如果温度低于设定温度，温度控制仪9控制热电偶2-3自动开启，实现升温；通过冷头2-4和热电偶2-3相互配合工作，可将温度长时间稳定在设定温度处；

步骤六、试验人员退出电子辐照舱室7，通过控制高频高压电子加速器1产生并加速电子对待测器件11进行电子辐照，当高频高压电子加速器1产生的电子达到步骤一中确定所需电子辐照剂量时，完成试验。

在本实施方式中，步骤一中确定的所需低温条件为10K～300K。

在本实施方式中，步骤四中恒温真空仓2抽成真空后，其内部空气的量级为10