抗辐射封装加固：电子辐射屏蔽设计

赵鹤然，王吉强，陈明祥，杨 涛，何承发，杜 昊

（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110000；2.中国科学院金属研究所，沈阳110016；3.华中科技大学机械科学与工程学院，武汉430074；4.中国科学院国家空间科学中心，北京100190；5.中国科学院新疆理化技术研究所，乌鲁木齐830011；6.广东腐蚀科学与技术创新研究院，广州510530）

1 引言

空间环境辐射对宇航级器件产生辐射效应，包括总剂量效应、单粒子效应、位移损伤、充放电效应等。根据国内外以往对航天事故的统计，约40%的故障由空间辐射造成，其中总剂量效应是人们研究的重点领域[1-2]。主流的抗辐射加固途径主要是芯片设计和工艺加固，设计周期较长，流片及验证成本高，大大提高了宇航级器件研发门槛。

针对总剂量效应的封装加固技术研究起始于上世纪70年代，国内外常见的屏蔽材料主要有金属、金属-陶瓷、金属-环氧树脂、有机薄膜等[3-6]。在此基于Al/Ta纳米复合结构，提出一种改进的封装抗辐射加固方法，通过复合涂层实现对高能电子及其二次辐射的有效屏蔽。

2 GEO轨道辐射环境仿真

此处利用AE8模型，分析器件在GEO轨道服役15年内遭遇的辐射带电子，以及质子平均能谱数值结果。详细数据如表1所示。可以看出，在GEO轨道中，对于总剂量效应，能量为0.04MeV～7MeV的辐射带电子占据主导地位，其通量会随着能量增加而减少。

表1 GEO轨道电子和质子平均能谱数值

由于空间环境具有较高的温差变化，飞行器服役过程中会遇到各类高加速环境，材料间热匹配会产生热应力问题；屏蔽材料与封装基材间会出现结合强度问题；屏蔽材料会导致封装基材腐蚀问题；屏蔽材料会引起器件增重问题。这些问题共同制约了封装加固技术的实际应用。研究高可靠、低密度、高吸收系数的高效屏蔽材料，对抗辐封装加固技术有重要意义。

3 电子总剂量屏蔽机理

3.1 电子对屏蔽材料的作用

电子在通过物质时，主要与靶物质原子中的壳层电子发生非弹性碰撞而导致原子电离和激发。由于电子质量较小，发生电离与激发后运动方向有较大变化。电离会产生次级电子，如果次级电子能量足够大，会在物质中进一步运动，与原子发生作用继续产生电离。

同时，电子在靶物质中还会发生轫致辐射，即由于电子速度与运动方向的变化，一部分或全部能量转变为电磁辐射。轫致辐射强度与靶核原子序数的平方成正比，与带电粒子质量的平方成反比。高能电子经过封装材料后产生的轫致辐射，使得器件总剂量辐射环境变得更加恶劣。因此，以往研究屏蔽空间环境中高能电子时，出现了“越挡越乱”的现象。

3.2 轫致辐射的影响

图1为采用MULASSIS模拟不同能量（0.5MeV～3MeV）入射电子在金属铝中的剂量深度分布曲线。在剂量建成区和高剂量坪区之后，随着铝厚度的增加，电离沉积剂量迅速降低。在铝厚度超过一定值后，剂量随材料厚度增加而下降的速率显著变缓。这是因为在材料厚度大于电子射程时，初始电子基本上全部被吸收屏蔽，但由于初始电子引起轫致辐射还在继续向更大材料深度处沉积电离剂量。

图1 MULASSIS模拟剂量-深度分布曲线

曲线尾端缓慢下降呈现平台，基本上是由入射初始电子被屏蔽材料慢化时产生的轫致辐射贡献的。由图1中可以看出，入射电子能量越高，产生的轫致辐射也越严重，所造成的尾端剂量分布平台剂量就越大。

3.3 复合屏蔽

大量研究表明，复合材料所具有的屏蔽效率较高，其技术核心理念在于使“重”材料得到最有效的利用。Spieth B D等人认为，在Al等传统屏蔽材料后用热喷涂的方法增加Ta层等高原子序数材料进行复合屏蔽，可以减重25%～30%[7]。Mangeret R等人研究表明，Al、W复合屏蔽效果优于单一屏蔽，并验证了“外层Al+内层W”的多层结构屏蔽效果优于“内层Al+外层W”的结构[8]。

受限于材料加工工艺，Al、Ta复合金属材料较难制备，以往只能采用Al-Ta-Al-Ta多层结构，即Al、Ta板材或薄膜交替叠装，并不能最大限度的发挥复合材料对电子辐射和轫致辐射的多重吸收优势。此外，Al、Ta材料与电子封装陶瓷外壳、金属盖板基体结合困难，使得理论研究成果难以在工程实践中得到应用。

本研究选用Al和Ta分别作为低原子序数材料和高原子序数材料，提出一种复合屏蔽方法。通过原子序数较低的Al材料在尽量少产生轫致辐射的情况下慢化和屏蔽初始入射电子，再用Ta材料吸收轫致辐射和慢化低能电子，以此达到对高能电子辐射及其二次辐射的高效屏蔽。

4 复合涂层制备及试验验证

4.1 涂层制备及表征

为了突破现有材料加工及涂层制备工艺难题，本研究采用冷喷涂方法在器件外壳上制备Al、Ta复合纳米涂层，获得了结构致密、成分均匀、性能稳定的加固涂层。新旧涂层结构示意图如图2所示。

图2 复合涂层结构示意图

如图3所示为涂层形貌表征结果。制备涂层前后电路外观实际状态如图4所示。

图3 显微镜下复合涂层形貌表征

图4 制备涂层器件外观示意图

高能电子辐射作用于纳米Al晶粒后产生的轫致辐射，可以在最短路径上即被包裹纳米Al晶粒周围的纳米Ta晶粒吸收，从而提高屏蔽效率。由于涂层具有“仿形”特性，可减少无效增重，符合宇航应用的需求。

4.2 可靠性测试

可靠性是制约封装加固技术实际应用的核心问题。由于屏蔽材料与器件外壳主体间的热膨胀系数差的存在，会产生热应力问题。屏蔽涂层越厚，热应力也越大。为了提高屏蔽效果，需要制备尽可能厚的涂层，但涂层结合强度一般会随着厚度的增加而衰减。相比于金属材料而言，有机材料更利于与器件外壳主体结合，但其长期稳定性难以保证。屏蔽材料一方面引起器件增重，消耗航天器动力，另一方面由于其自身重量，在高加速环境中容易发生涂层脱落。

针对如上各方面考虑，按照GJB 548B-2005中规定的温度循环和恒定加速度试验方法，对含所设计复合涂层的器件进行可靠性测试，条件及结果如表2所示。测试结果表明，涂层与封装材料间具有较高的亲和力和结合强度，符合相关可靠性试验要求。

表2 试验条件及结果

4.3 辐照试验

试验利用增材制造方法，用剂量片测定屏蔽效率，试验原理示意图如图5所示。在试验中，对不同厚度（0.5 mm～2.0mm）的Al、Ta复合屏蔽涂层进行切割；使用ELV-8II型电子加速器生成1MeV高能电子束，模拟空间辐射环境中的高能电子，对涂层进行辐照试验。在涂层上、下表面分别装配剂量片，辐照后读取剂量片上的数值并计算出涂层的透射率。试验过程中使用PE背散射平衡体，满足剂量片的测试条件。

图5 剂量片测定屏蔽效率原理

表3给出厚度为0.1mm～0.5mm的复合涂层的透射率。可以看出，随着涂层厚度增加，1MeV高能电子的透射率逐步降低。当涂层厚度在0.4mm以上时，屏蔽效率超过90%；当涂层厚度在0.2mm以上时，增加单位厚度涂层所能得到的抗辐射收益开始降低。这是由于透过屏蔽材料的高能电子已经大幅减少，剩余剂量由较为顽固的轫致辐射提供。

表3 Al、Ta复合涂层透射率

通过继续优化铝、坦复合涂层的配比和结构，可以进一步增加屏蔽效率。实际应用中，屏蔽涂层并不是越厚越好，而要根据器件的加固指标要求、设计余量、允许增重等因素综合选取最合适的方案，避免加固“过设计”。

5 结束语

能过分析器件在GEO轨道的质子和电子能谱，可以确定在总剂量效应中电子占据主导地位，进而展开有针对性的设计。对高能电子屏蔽设计以Al/Ta复合形式，形成高/低原子序数材料相结合，通过Al材料屏蔽高能电子，Ta材料来吸收轫致辐射，达到对高能电子辐射及其二次辐射的高效屏蔽。通过冷喷涂方法所制备的纳米Al/Ta复合涂层，也在实际试验中获得良好效果。本设计的加固方法，具有屏蔽设计周期短、成本低、制造快、效果好等特点。然而在实际应用中，还需根据器件实际使用需求，选取合适的屏蔽涂层厚度，避免加固“过设计”。