趙鶴然，王吉強(qiáng)，陳明祥，楊 濤，何承發(fā)，杜 昊

（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；3.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074；4.中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，北京100190；5.中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，烏魯木齊830011；6.廣東腐蝕科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院，廣州510530）

1 引言

空間環(huán)境輻射對(duì)宇航級(jí)器件產(chǎn)生輻射效應(yīng)，包括總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)、位移損傷、充放電效應(yīng)等。根據(jù)國(guó)內(nèi)外以往對(duì)航天事故的統(tǒng)計(jì)，約40%的故障由空間輻射造成，其中總劑量效應(yīng)是人們研究的重點(diǎn)領(lǐng)域[1-2]。主流的抗輻射加固途徑主要是芯片設(shè)計(jì)和工藝加固，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，流片及驗(yàn)證成本高，大大提高了宇航級(jí)器件研發(fā)門(mén)檻。

針對(duì)總劑量效應(yīng)的封裝加固技術(shù)研究起始于上世紀(jì)70年代，國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的屏蔽材料主要有金屬、金屬-陶瓷、金屬-環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)薄膜等[3-6]。在此基于Al/Ta納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，提出一種改進(jìn)的封裝抗輻射加固方法，通過(guò)復(fù)合涂層實(shí)現(xiàn)對(duì)高能電子及其二次輻射的有效屏蔽。

2 GEO軌道輻射環(huán)境仿真

此處利用AE8模型，分析器件在GEO軌道服役15年內(nèi)遭遇的輻射帶電子，以及質(zhì)子平均能譜數(shù)值結(jié)果。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示?？梢钥闯觯贕EO軌道中，對(duì)于總劑量效應(yīng)，能量為0.04MeV～7MeV的輻射帶電子占據(jù)主導(dǎo)地位，其通量會(huì)隨著能量增加而減少。

表1 GEO軌道電子和質(zhì)子平均能譜數(shù)值

由于空間環(huán)境具有較高的溫差變化，飛行器服役過(guò)程中會(huì)遇到各類(lèi)高加速環(huán)境，材料間熱匹配會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力問(wèn)題；屏蔽材料與封裝基材間會(huì)出現(xiàn)結(jié)合強(qiáng)度問(wèn)題；屏蔽材料會(huì)導(dǎo)致封裝基材腐蝕問(wèn)題；屏蔽材料會(huì)引起器件增重問(wèn)題。這些問(wèn)題共同制約了封裝加固技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。研究高可靠、低密度、高吸收系數(shù)的高效屏蔽材料，對(duì)抗輻封裝加固技術(shù)有重要意義。

3 電子總劑量屏蔽機(jī)理

3.1 電子對(duì)屏蔽材料的作用

電子在通過(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)致原子電離和激發(fā)。由于電子質(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。電離會(huì)產(chǎn)生次級(jí)電子，如果次級(jí)電子能量足夠大，會(huì)在物質(zhì)中進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，與原子發(fā)生作用繼續(xù)產(chǎn)生電離。

同時(shí)，電子在靶物質(zhì)中還會(huì)發(fā)生軔致輻射，即由于電子速度與運(yùn)動(dòng)方向的變化，一部分或全部能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶泡椛洹＼愔螺椛鋸?qiáng)度與靶核原子序數(shù)的平方成正比，與帶電粒子質(zhì)量的平方成反比。高能電子經(jīng)過(guò)封裝材料后產(chǎn)生的軔致輻射，使得器件總劑量輻射環(huán)境變得更加惡劣。因此，以往研究屏蔽空間環(huán)境中高能電子時(shí)，出現(xiàn)了“越擋越亂”的現(xiàn)象。

3.2 軔致輻射的影響

圖1為采用MULASSIS模擬不同能量（0.5MeV～3MeV）入射電子在金屬鋁中的劑量深度分布曲線(xiàn)。在劑量建成區(qū)和高劑量坪區(qū)之后，隨著鋁厚度的增加，電離沉積劑量迅速降低。在鋁厚度超過(guò)一定值后，劑量隨材料厚度增加而下降的速率顯著變緩。這是因?yàn)樵诓牧虾穸却笥陔娮由涑虝r(shí)，初始電子基本上全部被吸收屏蔽，但由于初始電子引起軔致輻射還在繼續(xù)向更大材料深度處沉積電離劑量。

圖1 MULASSIS模擬劑量-深度分布曲線(xiàn)

曲線(xiàn)尾端緩慢下降呈現(xiàn)平臺(tái)，基本上是由入射初始電子被屏蔽材料慢化時(shí)產(chǎn)生的軔致輻射貢獻(xiàn)的。由圖1中可以看出，入射電子能量越高，產(chǎn)生的軔致輻射也越嚴(yán)重，所造成的尾端劑量分布平臺(tái)劑量就越大。

3.3 復(fù)合屏蔽

大量研究表明，復(fù)合材料所具有的屏蔽效率較高，其技術(shù)核心理念在于使“重”材料得到最有效的利用。Spieth B D等人認(rèn)為，在Al等傳統(tǒng)屏蔽材料后用熱噴涂的方法增加Ta層等高原子序數(shù)材料進(jìn)行復(fù)合屏蔽，可以減重25%～30%[7]。Mangeret R等人研究表明，Al、W復(fù)合屏蔽效果優(yōu)于單一屏蔽，并驗(yàn)證了“外層Al+內(nèi)層W”的多層結(jié)構(gòu)屏蔽效果優(yōu)于“內(nèi)層Al+外層W”的結(jié)構(gòu)[8]。

受限于材料加工工藝，Al、Ta復(fù)合金屬材料較難制備，以往只能采用Al-Ta-Al-Ta多層結(jié)構(gòu)，即Al、Ta板材或薄膜交替疊裝，并不能最大限度的發(fā)揮復(fù)合材料對(duì)電子輻射和軔致輻射的多重吸收優(yōu)勢(shì)。此外，Al、Ta材料與電子封裝陶瓷外殼、金屬蓋板基體結(jié)合困難，使得理論研究成果難以在工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。

本研究選用Al和Ta分別作為低原子序數(shù)材料和高原子序數(shù)材料，提出一種復(fù)合屏蔽方法。通過(guò)原子序數(shù)較低的Al材料在盡量少產(chǎn)生軔致輻射的情況下慢化和屏蔽初始入射電子，再用Ta材料吸收軔致輻射和慢化低能電子，以此達(dá)到對(duì)高能電子輻射及其二次輻射的高效屏蔽。

4 復(fù)合涂層制備及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 涂層制備及表征

為了突破現(xiàn)有材料加工及涂層制備工藝難題，本研究采用冷噴涂方法在器件外殼上制備Al、Ta復(fù)合納米涂層，獲得了結(jié)構(gòu)致密、成分均勻、性能穩(wěn)定的加固涂層。新舊涂層結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示為涂層形貌表征結(jié)果。制備涂層前后電路外觀實(shí)際狀態(tài)如圖4所示。

圖3 顯微鏡下復(fù)合涂層形貌表征

圖4 制備涂層器件外觀示意圖

高能電子輻射作用于納米Al晶粒后產(chǎn)生的軔致輻射，可以在最短路徑上即被包裹納米Al晶粒周?chē)募{米Ta晶粒吸收，從而提高屏蔽效率。由于涂層具有“仿形”特性，可減少無(wú)效增重，符合宇航應(yīng)用的需求。

4.2 可靠性測(cè)試

可靠性是制約封裝加固技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的核心問(wèn)題。由于屏蔽材料與器件外殼主體間的熱膨脹系數(shù)差的存在，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力問(wèn)題。屏蔽涂層越厚，熱應(yīng)力也越大。為了提高屏蔽效果，需要制備盡可能厚的涂層，但涂層結(jié)合強(qiáng)度一般會(huì)隨著厚度的增加而衰減。相比于金屬材料而言，有機(jī)材料更利于與器件外殼主體結(jié)合，但其長(zhǎng)期穩(wěn)定性難以保證。屏蔽材料一方面引起器件增重，消耗航天器動(dòng)力，另一方面由于其自身重量，在高加速環(huán)境中容易發(fā)生涂層脫落。

針對(duì)如上各方面考慮，按照GJB 548B-2005中規(guī)定的溫度循環(huán)和恒定加速度試驗(yàn)方法，對(duì)含所設(shè)計(jì)復(fù)合涂層的器件進(jìn)行可靠性測(cè)試，條件及結(jié)果如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，涂層與封裝材料間具有較高的親和力和結(jié)合強(qiáng)度，符合相關(guān)可靠性試驗(yàn)要求。

表2 試驗(yàn)條件及結(jié)果

4.3 輻照試驗(yàn)

試驗(yàn)利用增材制造方法，用劑量片測(cè)定屏蔽效率，試驗(yàn)原理示意圖如圖5所示。在試驗(yàn)中，對(duì)不同厚度（0.5 mm～2.0mm）的Al、Ta復(fù)合屏蔽涂層進(jìn)行切割；使用ELV-8II型電子加速器生成1MeV高能電子束，模擬空間輻射環(huán)境中的高能電子，對(duì)涂層進(jìn)行輻照試驗(yàn)。在涂層上、下表面分別裝配劑量片，輻照后讀取劑量片上的數(shù)值并計(jì)算出涂層的透射率。試驗(yàn)過(guò)程中使用PE背散射平衡體，滿(mǎn)足劑量片的測(cè)試條件。

圖5 劑量片測(cè)定屏蔽效率原理

表3給出厚度為0.1mm～0.5mm的復(fù)合涂層的透射率。可以看出，隨著涂層厚度增加，1MeV高能電子的透射率逐步降低。當(dāng)涂層厚度在0.4mm以上時(shí)，屏蔽效率超過(guò)90%；當(dāng)涂層厚度在0.2mm以上時(shí)，增加單位厚度涂層所能得到的抗輻射收益開(kāi)始降低。這是由于透過(guò)屏蔽材料的高能電子已經(jīng)大幅減少，剩余劑量由較為頑固的軔致輻射提供。

表3 Al、Ta復(fù)合涂層透射率

通過(guò)繼續(xù)優(yōu)化鋁、坦復(fù)合涂層的配比和結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步增加屏蔽效率。實(shí)際應(yīng)用中，屏蔽涂層并不是越厚越好，而要根據(jù)器件的加固指標(biāo)要求、設(shè)計(jì)余量、允許增重等因素綜合選取最合適的方案，避免加固“過(guò)設(shè)計(jì)”。

5 結(jié)束語(yǔ)

能過(guò)分析器件在GEO軌道的質(zhì)子和電子能譜，可以確定在總劑量效應(yīng)中電子占據(jù)主導(dǎo)地位，進(jìn)而展開(kāi)有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。對(duì)高能電子屏蔽設(shè)計(jì)以Al/Ta復(fù)合形式，形成高/低原子序數(shù)材料相結(jié)合，通過(guò)Al材料屏蔽高能電子，Ta材料來(lái)吸收軔致輻射，達(dá)到對(duì)高能電子輻射及其二次輻射的高效屏蔽。通過(guò)冷噴涂方法所制備的納米Al/Ta復(fù)合涂層，也在實(shí)際試驗(yàn)中獲得良好效果。本設(shè)計(jì)的加固方法，具有屏蔽設(shè)計(jì)周期短、成本低、制造快、效果好等特點(diǎn)。然而在實(shí)際應(yīng)用中，還需根據(jù)器件實(shí)際使用需求，選取合適的屏蔽涂層厚度，避免加固“過(guò)設(shè)計(jì)”。