宇航辐照对挠性电路的损伤性能及机理研究

邹文中 周国云 何 为

（电子科技大学材料与能源学院，四川 成都 610054）

杨 猛 吴 琼 张彬彬

（北京卫星制造厂有限公司电子装联中心，北京 100094）

毕建民

（新华海通（厦门）信息科技有限公司，福建 厦门 361000）

0 前言

宇航辐射环境主要来自地球辐射带、银河宇宙射线、太阳耀斑和太阳风。地球辐射带主要由地球磁场俘获电子（能量低于7 MeV）和质子（能量低于500 MeV）构成。它们分为内辐射带和外辐射带。内辐射带的空间范围在赤道平面约600～10000 km高度内，主要成分是高能质子，最大通量密度位置在2 Re（Re为地球半径）处，电子的能量低于5 MeV，最大通量密度位置在1.5 Re。外辐射带的空间范围延伸到赤道平面约10000～60000 km高度，主要是由电子组成（比内带电子通量密度高10倍）。银河宇宙辐射（Galactic Cosmic Rays）由来自银河系各个方向的高能带电粒子流组成，银河宇宙射线的能量高，相比较地球辐射带其通量很小。太阳耀斑（Solar Flares）往往伴随着大量高能粒子的喷发，能量为10～1000 MeV。银河宇宙辐射和太阳耀斑的高能粒子能大规模集成电路的计算机产生致命故障，但通量很小对材料影响不大。太阳风是由电子、质子、alpha粒子和重离子组成，其能量为0.5～3.2 KeV，平均为1 KeV[1]。

航天装备在宇航环境运行时，均要进行辐照试验。航天用的CCD（电荷耦合器件）摄像头、太阳能电池、半导体芯片等在获得辐射试验才能在航天器中进行装备[2]-[4]。近年来，挠性电路实施电缆网轻量化替代已经成为解决航天电子产品轻、薄等特性的关键措施。柔性电路要能够在宇航环境中进行高可靠性的运行，必须经过宇航综合辐射的评估，其性能可靠才能满足应用要求[5]。但是，对于柔性电路的综合辐射试验属于特殊领域的用途，国内关于此类报道几乎没有。为此，本文针对模拟宇航器运行环境制定其辐射量，并对挠性电路的辐射性能以及老化机理等进行分析，为挠性电路在宇航环境的应用提供支撑依据。

1 实验

1.1 辐照试验设计

按照航天试验要求标准，设计了15 cm×1 cm宽的挠性电路，挠性电路中设计的单根回路线，如图1所示。挠性电路为单面结构，基板材料为PI（聚酰亚胺），采用PI覆盖膜对铜线路进行保护。

图1 辐照试验使用的柔性电路样品图

通过对柔性电路进行不同剂量Gy的γ射频辐射，分析辐照剂量对柔性电路性能以及弯曲性能的影响，具体的辐照处理情况如表1所示。

表1 挠性电路表面进行γ射频辐射处理设计表

1.2 性能表征

使用SEM（扫描电子显微镜，日立SU-5000）设备分析挠性电路经过辐照后，表面微观结构的变化，明确挠性电路的辐照影响。同时，采用XPS（Kratos AXIS Supra）对挠性电路表面基团的变化进行机理分析，确定挠性电路发生结构变化的化学反应原理。此外，针对挠性电路关键性的柔曲性能，采用弯曲试验测试其性能，判断辐照是否对挠性电路的柔曲性能产生影响，明确其影响的大小情况。辐照源为钴-60 γ射线源。

2 结果与讨论

经过辐照处理之后，不同样品的实物图如图2所示（2号、3号样品看不出差异，不再列入图中,后面的图同样）。从图2可以看出，经过不同辐照后的样品与没有经过任何辐照的样品都呈现出一样棕色，且表面的粗糙情况也没有明显的差异，这说明样品经过不同的辐照处理之后，宏观上并没有明显的颜色及形态变化。

图2 不同辐照处理后样品的实物图

为了进一步探究经过不同辐照后的样品的表面是否存在微观的形貌变化，对不同的样品进行了金相显微镜的初步表面观察（放大倍率为5倍），如图3所示。从图中可以发现，与对照组相比（0号样品），经过辐照处理的聚酰亚胺的表面有更多比较明显的孔洞，尤其是4号样品（辐照剂量最大，为55000 Gy，辐照时间是30 h 34 min），它的金相图中可以看到分布更加密集且较为均匀的孔洞。经过辐照处理后的样品的微观表面是存在比较明显的差异的，其会导致样品的表面产生更多的孔洞，并且更大剂量的辐照和更长的辐照时间会增加孔洞的数量。

图3 不同辐照处理后样品的金相图（5倍）

由于金相显微镜的表面观察结果是比较有限的，对上述样品进行的SEM观察，在更大的放大倍率下观察样品表面的微观形貌变化，其结果如图4（50 000倍）和图5（200 000倍）所示。从图4中可以看出，所有样品的SEM图中均有很多的裂痕出现，并且经过辐照后的样品的裂痕更多，分布也较为均匀，最大剂量辐照和最长的辐照时间下的样品的裂痕数量明显更加。在图5中更大的倍率下观察得到的样品中孔洞的变化情况与图4的基本差不多，只是裂痕的数量和大小更加明显。经过上述分析可知，金相显微镜下的孔洞数量的变化情况与SEM图中的裂痕的变化情况有着十分紧密的关系，金相图中的孔洞数量增加，SEM图中的裂痕数量也会有明显的增加。

图4 不同辐照处理后样品的SEM图（50000倍）

图5 不同辐照处理后样品的SEM图（200000倍）

经过辐照处理后的聚酰亚胺样品和未经任何辐照处理的对照组样品均进行XPS的元素成分分析，确定经过辐照处理后的样品的组成基团是否发生比较明显的变化，其结果如图6所示。图中包括测试的原始强度（Raw Intensity），经过拟合分峰后的每一个分峰（Peak 1和Peak 2）、分峰的叠加（Peak Sum）和以及背景基线（Background）。

从图6中，我们可以明显发现，每一个样品的XPS图谱的分峰均有2个拟合峰，一个峰位在400.0 eV左右（Peak 1），另外一个峰位则在401.8 eV左右（Peak 2），并且不同样品中得到的拟合的分峰的差异很小，几乎很难区分。经过查阅文献后可知，在400.0 eV左右的峰位对应着-CO-N-CO-基团，而在401.8 eV左右的峰位则对应着-NH(C=O)-Ph基团（-Ph为苯基）。为了进一步研究各个样品中这两个基团的含量变化情况，把用每一个拟合分峰的各自峰位下对应的峰强度减去对应峰位下的基线强度得到的数值作为评判基团对应的峰的差值强度（I1和I2），而I2/I1则是Peak 2的差值强度相对于Peak 1的差值强度的比值，以此比值来衡量各个样品中基团的含量变化情况。根据图6中的原始数据，经过处理之后，便得到了表2。

图6 不同辐照处理后样品的XPS图

从表2可以看出，经过辐照处理后的样品中-NH(C=O)-Ph基团的含量基本变化不大（I2/I1的比值在0.26上下波动），而它们中-NH(C=O)-Ph基团的含量却比未经过任何辐照处理的样品中的低一些，但也不是十分明显（未经过辐照处理的样品的I2/I1值仅为0.2784），此结果可以在图7的柱状图中更加明显地看到。经过上述分析可以推测，在γ射频的辐照作用下，-NH(C=O)-Ph基团中的C-Ph键发生断裂，断裂的那部分反应物进而得到只含有-CO-N-CO-基团的新产物，这个断裂与经过辐照处理后的样品的SEM图中的裂痕变得很明显是比较吻合的。聚酰亚胺在合成的过程中，不可避免地会产生一些副产物，下面就对其合成及辐照过程中的转化情况绘制了如图8所示的原理图。反应物在闭环脱水后得到了产物1（聚酰亚胺）和产物2（副产物），产物2相对于产物1来说没有那么稳定，在辐照作用下，部分产物2的-NH(C=O)-Ph基团中的C-Ph发生断裂，断裂的那部分反应物进而得到只含有-CO-N-CO-基团的新产物，而产物1却没有任何部分发生断裂。最终，大部分产物中都含有-CO-N-CO-基团，只有少部分产物中含有-NH(C=O)-Ph基团。

表2 不同样品中两个拟合峰的差值峰强度计算数据

图7 不同样品中两个拟合峰的相对强度柱状图

图8 聚酰亚胺的合成和辐照原理图

3 结论

聚酰亚胺样品的表面经过不同剂量以及不同时间的γ射频的电磁辐照后，相对于未经过任何辐照处理的样品，在宏观上，它们的表面并没有明显的变化，但是在金相显微镜和SEM的微观形貌观察上，却发现金相中观察到的样品有更多的孔洞，而SEM中观察到的样品有更多均匀分布的裂痕，这个就说明了辐照作用会促进聚酰亚胺样品微观表面上的断裂，进而出现很多微小的裂痕。而经过XPS测试分析后，我们发现经过辐照处理后的样品中的-NH(C=O)-Ph基团的含量比未经过任何辐照处理的样品中的低一些。这个主要归咎于在γ射频的辐照作用下，-NH(C=O)-Ph基团中的C-Ph键发生断裂，断裂的那部分反应物进而得到只含有-CO-N-CO-基团的新产物，这个断裂与经过辐照处理后的样品的SEM图中的裂痕变得很明显是比较吻合的。因此，通过辐照试验可知，聚酰亚胺主链结构具备较好的抗辐照功能，但是其聚合副产物或结构缺陷是决定柔性电路辐照性能的关键。要实现柔性电路在宇航环境中拥有良好的抗辐照能力，聚酰亚胺的聚合情况必须通过评估才能应用。