趙鶴然 ，王吉強(qiáng)，李靖旸，康 敏，孔 明

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110000；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng)110016）

1 引 言

太空資源是一種戰(zhàn)略資源。太空作為國(guó)際間潛在激烈競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)，其中的各種射線會(huì)對(duì)星載電子設(shè)備中的器件產(chǎn)生危害，輻射粒子與器件材料相互作用將導(dǎo)致器件電學(xué)性能退化。隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，在不斷提高衛(wèi)星性能的同時(shí)，設(shè)法極力延長(zhǎng)衛(wèi)星在充滿輻射的空間中的工作壽命也是必要之舉。為提高衛(wèi)星等航天器的抗輻射能力，當(dāng)今世界許多國(guó)家都在致力于器件抗輻射加固技術(shù)的研究[1-3]。器件的抗輻射加固技術(shù)是輻射環(huán)境下電子系統(tǒng)或裝置可靠工作的保障，包括從材料的選擇到器件內(nèi)部的元件結(jié)構(gòu)、制作工藝、電路設(shè)計(jì)以及屏蔽封裝等一系列加固技術(shù)。其中，封裝加固是通過(guò)直接屏蔽空間輻射的方式，避免芯片受到輻射的影響。

2 空間輻射與封裝加固

運(yùn)行在空間的各類人造衛(wèi)星及航天器會(huì)受到地球帶電粒子、太陽(yáng)輻射、宇宙射線等各種輻射。在近地空間環(huán)境中，造成總劑量效應(yīng)的輻射來(lái)源主要是輻射帶電子和輻射帶質(zhì)子。

質(zhì)子在通過(guò)物質(zhì)時(shí)，主要與靶物質(zhì)原子中的殼層電子發(fā)生非彈性碰撞而導(dǎo)致原子的電離和激發(fā)。原子電離后會(huì)產(chǎn)生次級(jí)電子。如果次級(jí)電子能量足夠大，會(huì)繼續(xù)在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生不可忽視的效應(yīng)。

電子與靶物質(zhì)的原子也會(huì)發(fā)生電離與激發(fā)。不同的是，電子由于質(zhì)量較小，發(fā)生電離與激發(fā)后運(yùn)動(dòng)方向有較大變化，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生軔致輻射，繼續(xù)作用于物質(zhì)。

20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)開(kāi)始研究封裝抗輻射技術(shù)。封裝屏蔽技術(shù)經(jīng)歷了重金屬貼片屏蔽、高分子材料涂覆屏蔽和抗輻射封裝外殼等幾個(gè)階段。2005年法國(guó)的3D Plus 公司公布了抗輻射WALOPACK封裝，將鎢漿料和生陶瓷帶共燒成多層陶瓷板制成HTCC 封閉腔體。2012 年，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所公布了采用重金屬的多層陶瓷基板工藝制備的氧化鋁封裝外殼，對(duì)電子有良好的屏蔽效果[4-6]。

針對(duì)現(xiàn)有方法中屏蔽材料有效面積比率低、屏蔽層與封裝基體結(jié)合度差等問(wèn)題，采用冷氣動(dòng)力噴涂設(shè)備，將制備的復(fù)合粉末噴涂到待防護(hù)器件基體表面，形成均勻、致密的納米級(jí)Ta/Al 復(fù)合涂層，來(lái)獲得具有屏蔽特性的一體化封裝加固電路[7]。與其他一體化封裝制作方法相比，冷噴涂具有溫度低、發(fā)生相變驅(qū)動(dòng)力小等特點(diǎn)，其固體晶粒也比較不易長(zhǎng)大和氧化，因此特別適用于納米涂層的制備[8]。

一體化抗輻射封裝可以在現(xiàn)有產(chǎn)品基礎(chǔ)上，根據(jù)所在軌道的主要輻射源，有針對(duì)性地選擇涂層材料，直接制備具有高結(jié)合力的屏蔽涂層。相比于其他封裝屏蔽方式，涂覆更加精準(zhǔn)，結(jié)合更加穩(wěn)定，更具有厚度可調(diào)節(jié)、成分可摻雜的優(yōu)點(diǎn)。采用此種一體化封裝加固方法制備的電路樣品如圖1 所示。

圖1 DIP 陶瓷外殼集成電路封裝樣品

3 典型失效模式

一體化封裝制備需解決的主要問(wèn)題是多層納米復(fù)合涂層與陶瓷外殼之間的結(jié)合力問(wèn)題。需要充分考慮涂層在后續(xù)應(yīng)用環(huán)境中的熱、應(yīng)力與結(jié)合力之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，確保一體化封裝結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期可靠。一體化抗輻射封裝工藝中出現(xiàn)的幾種典型失效模式歸納如下：

1）管殼基體裂紋

在一體化抗輻射封裝涂層制備過(guò)程中，待涂覆的器件需要緊固。器件夾持不當(dāng)將產(chǎn)生應(yīng)力過(guò)度集中，導(dǎo)致陶瓷管殼基體碎裂。

2）沖擊后涂層脫落

涂層脫落的原因主要有兩點(diǎn)，一是基體表面未經(jīng)粗化處理，涂層與基體的結(jié)合力較差，在機(jī)械試驗(yàn)后脫落；二是涂層材料與基體之間的熱膨脹系數(shù)不匹配，隨涂層厚度增加，兩者之間的應(yīng)力加大，在溫度循環(huán)后產(chǎn)生脫落。

3）涂層不均勻

涂層不均勻主要體現(xiàn)在涂層左右高度不對(duì)稱、涂層共面性差、涂層表面平整度差、涂層成分不均勻等幾個(gè)方面，典型案例形貌如圖2 所示。

形成涂層不均勻的主要原因有四點(diǎn)：一是涂覆工藝中設(shè)置的移動(dòng)速度和路徑設(shè)計(jì)不合理，造成了噴涂后沉積的涂層不均勻；二是為了提高抗輻射指標(biāo)，涂層設(shè)計(jì)的目標(biāo)值過(guò)厚，當(dāng)涂層過(guò)厚，涂層的共面性就會(huì)明顯下降；三是為了提高抗輻射性能，采用的涂層粉末粒度小，粉末流動(dòng)性較差，造成了噴涂過(guò)程中粉末輸送不均勻；四是在具有陶瓷相摻雜的多種金屬屏蔽材料制成的抗輻射封裝涂層中，混粉和球磨時(shí)間不足，材料破碎不充分或發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致噴涂后涂層不均勻。

圖2 涂層不均勻典型案例

4）多層涂層損傷

在制備不同材質(zhì)的多層涂層時(shí)，新的涂層顆粒會(huì)對(duì)之前較薄、較軟涂層造成坑陷、損失等損傷，使原有涂層的功能下降。

5）引腳間絕緣電阻下降

金屬涂層的制備可能引起電路引腳間絕緣電阻下降，導(dǎo)致電性能失效，這是最嚴(yán)重的失效情況之一，主要原因是制備涂層工藝不精細(xì)，沉積的金屬涂層引起引腳跨接。

6）涂層表面缺陷和局部脫落

不同涂層材料的硬度不同，在制備過(guò)程中所需提供的工藝壓力、溫度也不相同。對(duì)于密度較大的金屬材料，需要更大的能量以實(shí)現(xiàn)涂層與機(jī)體的結(jié)合，如果能量不足，涂層結(jié)合不牢固，就會(huì)出現(xiàn)局部區(qū)域無(wú)法結(jié)合的現(xiàn)象。若能量過(guò)大，會(huì)損傷集成電路的外殼基體、破壞蓋板及密封環(huán)等密封結(jié)構(gòu)。

針對(duì)一體化抗輻射封裝典型失效模式，在此進(jìn)行了FMEA 分析。主要分析失效模式的嚴(yán)重度、頻度和探測(cè)度，并計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)RPN 值。相應(yīng)的解決辦法也在分析中給出。詳細(xì)分析結(jié)果如表1 所示。

表1 一體化抗輻射封裝典型失效模式FMEA 分析

4 結(jié) 束 語(yǔ)

通過(guò)簡(jiǎn)要介紹封裝屏蔽技術(shù)的發(fā)展歷程，針對(duì)現(xiàn)有封裝屏蔽方法中存在的主要問(wèn)題，例如屏蔽材料有效面積比率低，屏蔽層與封裝基體結(jié)合度差等，提出基于冷噴涂的一體化抗輻射封裝結(jié)構(gòu)制備方法，使封裝過(guò)程更精準(zhǔn)、更穩(wěn)定，兼有厚度可調(diào)節(jié)、成分可摻雜的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)逐一研究各種典型失效模式，對(duì)一體化封裝開(kāi)展FMEA 分析，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)RPN 值，并提出了應(yīng)對(duì)措施。分析結(jié)果對(duì)抗輻射加固領(lǐng)域相關(guān)器件及封裝工藝的進(jìn)一步深入研究具有一定的參考價(jià)值。