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抗辐射MOSFET封装的板级资格测试

以确保设备在最严酷的环境中达到规范要求,有时甚至长达15年甚至更长。美国和欧洲共同体都制定了详细说明质量一致性测试顺序的规范。

在美国,DLA的MIL-PRF-19500和MIL-STD-750控制着按JANS或JANTXV级制造的分立MOSFET半导体所执行的质量一致性测试顺序。在欧洲,ESA的ESCC 5000是密封,裸片和分立半导体的标准。

根据适用的标准,这些测试在芯片或封装级别进行。在现实生活中,抗辐射MOSFET安装在板上以用于子系统,例如DC-DC转换器,中间总线转换器,电机控制器等。然而,DLA或MIL标准不需要进行PCB级性能测试。因此,国际整流器HiRel(IR HiRel)使用最新的包装设计开发了一系列板级认证测试,以为我们的客户提供更高水平的保证。

包装更高的可靠性
在空间额定功率电子设备中,表面贴装密封封装的MOSFET与PCB的可靠连接多年来困扰着空间系统设计人员。材料差异,特别是电路板和表面安装电源封装的热膨胀系数(CTE)不匹配,可能导致难以维持PCB和SMD封装之间的可靠焊点。 CTE不匹配也使保持密封封装的硅功率MOSFET的密封完整性变得非常困难。

IR HiRel开发了SupIR-SMD封装,以解决功率半导体和PCB之间CTE不匹配的问题。 SupIR-SMD专为直接与PCB表面贴装而设计,可实现最短的热传导路径,以帮助优化电源系统效率。根据MIL-PRF-19500,SupIR-SMD中容纳的新设备的标准资格为JANS级别。

典型的应用范围从太空探索飞行器到通信,导航和观察卫星,等等。这些车辆可能会在低地球,对地静止或高椭圆轨道或行星际深空飞行任务中飞行。尽管飞行环境可能会有很大差异,但我们知道,必须根据其任务概况需要对每个太空计划进行评估,包括但不限于:

  • 可靠性
  • 耐辐射
  • 环境压力
  • 预期的任务生命周期

除此之外,太空电子产品还必须承受来自发射环境本身的巨大力量。极端的冲击和振动,ESD放电,巨大的温度波动以及更多……高可靠性电子设备旨在承受比COTS零件原本要面对的更苛刻的条件。 IR HiRel的抗辐射硅功率MOSFET按照适用的标准在芯片或封装级别进行了广泛的测试,以确保在恶劣的太空环境中达到规定的性能。在这种情况下,它通常符合MIL-PRF-19500 JANS等级。

PCB级测试程序的目标是通过下一级别的组装和环境测试操作来验证封装设计的完整性。从广义上讲,这些板级协议包括:

  • 随机振动
  • 机械冲击
  • 温度循环
  • 测试后检查细微和大泄漏以及焊点的横截面

顺序资格测试
例如,为了在板级上鉴定SupIR-SMD封装,我们在代表性PCB上以不同方向和位置安装了几个封装。根据IPC 4101/411,使用聚酰亚胺玻璃纤维作为板材料,PCB具有八层,板的总厚度为1.8 mm。使用SN63Pb37焊料和RMA助焊剂,我们将组件连接到PCB。焊料模板的厚度为8密耳,开口与焊盘尺寸的比率为90%。在测试之前,我们根据IPC-J标准空间附录2检查了整个组件。然后,我们使电路板受到随机振动,机械冲击和温度循环的影响。为了进行机械应力测试的每个阶段,组件必须保持无故障。

图1. SupIR-SMD鉴定板,封装与板平行且垂直安装随机振动

随机振动测试模拟了电子设备必须承受的航天器发射和Grms(均方根加速度)。我们按照ECSS-Q-ST-70-38C3进行了测试,测试水平提高到40 Grms。请注意,此标准包括ECSS-Q-ST-70-08C4中概述的参考测试条件。根据IR HiRel在太空电力电子领域的经验以及我们客户的需求,增加测试条件可以更准确地反映出发射环境中实际面对的部件。这也更接近MIL-STD-883J5测试方法2026,条件1J,要求36.6 Grms。

我们的测试设置使SupIR-SMD电路板组件在三个维度上振动,每个维度在5分钟内振动高达40 Grms,这超出了ECSS标准。为了进行比较,IPC-TM-6505测试条件F最接近于这些ECSS和MIL-STD-883标准,但强度不高,要求的测试水平仅为10.9 Grms。

表1.随机振动:MIL,ECSS和IPC封装测试要求与IR HiRel PCB板级参数的比较

机械冲击

机械冲击测试模拟了发动顺序发动机分离引起的突然和极端的加速或减速。作为基准参考,我们从MIL-STD-883J4测试方法2002.5,条件B开始,它是IR HiRel通常对MOSFET进行封装级认证的一部分。我们还考虑了ECSS-Q-ST-70-38C5,该文件指定了震级应该“满足预定任务”。 IPC-TM-6506测试方法3.8 A,条件E与MIL标准相似,但强度较小,指定的峰值加速度为1,000 Gs,每个轴在每个方向上有三个冲击,脉冲持续时间为0.5毫秒。

对于我们的PCB级测试,我们对SupIR-SMD组件施加了至少1,500 Gs的0.3毫秒峰值加速度,在X1,Y1和Z1方向上分别向正向和负向震动。每个轴有6次电击,我们总共执行了18次电击。这些测试参数符合我们对标准空间设备的全球客户要求。

表2.机械冲击:MIL,ECSS和IPC封装测试要求与IR HiRel PCB板级参数的比较

温度循环

该测试模拟了太空电子设备在飞行中必须承受的极端工作温度。我们对SupIR-SMD组件进行了基于ECSS-Q-ST-70-38C(-55°C至100°C)的热循环。专门针对电路板组件,我们在-55°C至100°C的温度范围内进行了500个温度循环,每个极端的最大上升速度为10°C /分钟,最小停留时间为15分钟,这比标准中指定的强度更高。包裹资格。

这些参数与IPC-9701A7相似,但是停留时间增加且斜坡率降低。符合包装认证的MIL-STD-750F不能直接与ECSS或IPC标准相提并论,两者均使用-55°C至100°C的测试条件,而MIL-STD-750F指定-55°C至85°C C。 ECSS-Q-ST-70-38C和MIL-STD-750F标准还分别指定了较少的循环数200和20,或指定的次数。

表3.温度循环:MIL,ECSS和IPC封装测试要求与IR HiRel PCB板级参数的比较

焊点的横截面检查

完成这些测试后,我们根据ECSS-Q-ST-70-38C剖切了组装焊点,该焊点指定了PCB技术鉴定的要求。该测试的合格标准是,焊料中的裂纹不应超过关键区域搭接连接的25%。陶瓷上也不应有裂纹。由于ECSS标准不允许在SMD设备中出现陶瓷裂纹,因此它比MIL-STD-7508测试方法2071和MIL-STD-883测试方法2009严格。

图2.板级合格证SupIR-SMD的横截面

 

结论

世界各地的卫星制造商都使用高可靠性的DC-DC转换器,并且在板级测试中,功率半导体要经受与航天飞行寿命相同的严格要求。尽管没有针对此类测试的强制性行业标准,但最佳实践的板级协议应符合或超过选择作为基准的测试条件。

表4.摘要:IR HiRel PCB安装鉴定测试条件

我们坚信,这种积极进取的方法和更高的资格水平可以提供高度的保证。基于硅的技术仍然是在高可靠性空间应用中使用的值得信赖的选择。凭借其久经考验的传统,性能,耐用性以及众所周知的筛选和可靠性标准,推动更高的测试接受度有助于将这种信心扩展到下一代硅平台。

经许可转载 评估工程 

参考文献:

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