抗辐射封装加固器件典型失效模式

赵鹤然 ，王吉强，李靖旸，康 敏，孔 明

（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）

1 引 言

太空资源是一种战略资源。太空作为国际间潜在激烈竞争的舞台，其中的各种射线会对星载电子设备中的器件产生危害，辐射粒子与器件材料相互作用将导致器件电学性能退化。随着卫星技术的发展，在不断提高卫星性能的同时，设法极力延长卫星在充满辐射的空间中的工作寿命也是必要之举。为提高卫星等航天器的抗辐射能力，当今世界许多国家都在致力于器件抗辐射加固技术的研究[1-3]。器件的抗辐射加固技术是辐射环境下电子系统或装置可靠工作的保障，包括从材料的选择到器件内部的元件结构、制作工艺、电路设计以及屏蔽封装等一系列加固技术。其中，封装加固是通过直接屏蔽空间辐射的方式，避免芯片受到辐射的影响。

2 空间辐射与封装加固

运行在空间的各类人造卫星及航天器会受到地球带电粒子、太阳辐射、宇宙射线等各种辐射。在近地空间环境中，造成总剂量效应的辐射来源主要是辐射带电子和辐射带质子。

质子在通过物质时，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的电离和激发。原子电离后会产生次级电子。如果次级电子能量足够大，会继续在物质中运动，产生不可忽视的效应。

电子与靶物质的原子也会发生电离与激发。不同的是，电子由于质量较小，发生电离与激发后运动方向有较大变化，同时还会产生轫致辐射，继续作用于物质。

20 世纪70 年代，美国开始研究封装抗辐射技术。封装屏蔽技术经历了重金属贴片屏蔽、高分子材料涂覆屏蔽和抗辐射封装外壳等几个阶段。2005年法国的3D Plus 公司公布了抗辐射WALOPACK封装，将钨浆料和生陶瓷带共烧成多层陶瓷板制成HTCC 封闭腔体。2012 年，中国电子科技集团公司第十三研究所公布了采用重金属的多层陶瓷基板工艺制备的氧化铝封装外壳，对电子有良好的屏蔽效果[4-6]。

针对现有方法中屏蔽材料有效面积比率低、屏蔽层与封装基体结合度差等问题，采用冷气动力喷涂设备，将制备的复合粉末喷涂到待防护器件基体表面，形成均匀、致密的纳米级Ta/Al 复合涂层，来获得具有屏蔽特性的一体化封装加固电路[7]。与其他一体化封装制作方法相比，冷喷涂具有温度低、发生相变驱动力小等特点，其固体晶粒也比较不易长大和氧化，因此特别适用于纳米涂层的制备[8]。

一体化抗辐射封装可以在现有产品基础上，根据所在轨道的主要辐射源，有针对性地选择涂层材料，直接制备具有高结合力的屏蔽涂层。相比于其他封装屏蔽方式，涂覆更加精准，结合更加稳定，更具有厚度可调节、成分可掺杂的优点。采用此种一体化封装加固方法制备的电路样品如图1 所示。

图1 DIP 陶瓷外壳集成电路封装样品

3 典型失效模式

一体化封装制备需解决的主要问题是多层纳米复合涂层与陶瓷外壳之间的结合力问题。需要充分考虑涂层在后续应用环境中的热、应力与结合力之间的竞争关系，确保一体化封装结构长期可靠。一体化抗辐射封装工艺中出现的几种典型失效模式归纳如下：

1）管壳基体裂纹

在一体化抗辐射封装涂层制备过程中，待涂覆的器件需要紧固。器件夹持不当将产生应力过度集中，导致陶瓷管壳基体碎裂。

2）冲击后涂层脱落

涂层脱落的原因主要有两点，一是基体表面未经粗化处理，涂层与基体的结合力较差，在机械试验后脱落；二是涂层材料与基体之间的热膨胀系数不匹配，随涂层厚度增加，两者之间的应力加大，在温度循环后产生脱落。

3）涂层不均匀

涂层不均匀主要体现在涂层左右高度不对称、涂层共面性差、涂层表面平整度差、涂层成分不均匀等几个方面，典型案例形貌如图2 所示。

形成涂层不均匀的主要原因有四点：一是涂覆工艺中设置的移动速度和路径设计不合理，造成了喷涂后沉积的涂层不均匀；二是为了提高抗辐射指标，涂层设计的目标值过厚，当涂层过厚，涂层的共面性就会明显下降；三是为了提高抗辐射性能，采用的涂层粉末粒度小，粉末流动性较差，造成了喷涂过程中粉末输送不均匀；四是在具有陶瓷相掺杂的多种金属屏蔽材料制成的抗辐射封装涂层中，混粉和球磨时间不足，材料破碎不充分或发生了团聚现象，导致喷涂后涂层不均匀。

图2 涂层不均匀典型案例

4）多层涂层损伤

在制备不同材质的多层涂层时，新的涂层颗粒会对之前较薄、较软涂层造成坑陷、损失等损伤，使原有涂层的功能下降。

5）引脚间绝缘电阻下降

金属涂层的制备可能引起电路引脚间绝缘电阻下降，导致电性能失效，这是最严重的失效情况之一，主要原因是制备涂层工艺不精细，沉积的金属涂层引起引脚跨接。

6）涂层表面缺陷和局部脱落

不同涂层材料的硬度不同，在制备过程中所需提供的工艺压力、温度也不相同。对于密度较大的金属材料，需要更大的能量以实现涂层与机体的结合，如果能量不足，涂层结合不牢固，就会出现局部区域无法结合的现象。若能量过大，会损伤集成电路的外壳基体、破坏盖板及密封环等密封结构。

针对一体化抗辐射封装典型失效模式，在此进行了FMEA 分析。主要分析失效模式的严重度、频度和探测度，并计算出风险系数RPN 值。相应的解决办法也在分析中给出。详细分析结果如表1 所示。

表1 一体化抗辐射封装典型失效模式FMEA 分析

4 结 束 语

通过简要介绍封装屏蔽技术的发展历程，针对现有封装屏蔽方法中存在的主要问题，例如屏蔽材料有效面积比率低，屏蔽层与封装基体结合度差等，提出基于冷喷涂的一体化抗辐射封装结构制备方法，使封装过程更精准、更稳定，兼有厚度可调节、成分可掺杂的优点。通过逐一研究各种典型失效模式，对一体化封装开展FMEA 分析，计算风险系数RPN 值，并提出了应对措施。分析结果对抗辐射加固领域相关器件及封装工艺的进一步深入研究具有一定的参考价值。