抗輻射封裝加固器件典型失效模式

趙鶴然 ，王吉強，李靖旸，康 敏，孔 明

（1.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000；2.中國科學院金屬研究所，沈陽110016）

1 引 言

太空資源是一種戰略資源。太空作為國際間潛在激烈競爭的舞臺，其中的各種射線會對星載電子設備中的器件產生危害，輻射粒子與器件材料相互作用將導致器件電學性能退化。隨著衛星技術的發展，在不斷提高衛星性能的同時，設法極力延長衛星在充滿輻射的空間中的工作壽命也是必要之舉。為提高衛星等航天器的抗輻射能力，當今世界許多國家都在致力于器件抗輻射加固技術的研究[1-3]。器件的抗輻射加固技術是輻射環境下電子系統或裝置可靠工作的保障，包括從材料的選擇到器件內部的元件結構、制作工藝、電路設計以及屏蔽封裝等一系列加固技術。其中，封裝加固是通過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

運行在空間的各類人造衛星及航天器會受到地球帶電粒子、太陽輻射、宇宙射線等各種輻射。在近地空間環境中，造成總劑量效應的輻射來源主要是輻射帶電子和輻射帶質子。

質子在通過物質時，主要與靶物質原子中的殼層電子發生非彈性碰撞而導致原子的電離和激發。原子電離后會產生次級電子。如果次級電子能量足夠大，會繼續在物質中運動，產生不可忽視的效應。

電子與靶物質的原子也會發生電離與激發。不同的是，電子由于質量較小，發生電離與激發后運動方向有較大變化，同時還會產生軔致輻射，繼續作用于物質。

20 世紀70 年代，美國開始研究封裝抗輻射技術。封裝屏蔽技術經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階段。2005年法國的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，中國電子科技集團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，對電子有良好的屏蔽效果[4-6]。

針對現有方法中屏蔽材料有效面積比率低、屏蔽層與封裝基體結合度差等問題，采用冷氣動力噴涂設備，將制備的復合粉末噴涂到待防護器件基體表面，形成均勻、致密的納米級Ta/Al 復合涂層，來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、發生相變驅動力小等特點，其固體晶粒也比較不易長大和氧化，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有產品基礎上，根據所在軌道的主要輻射源，有針對性地選擇涂層材料，直接制備具有高結合力的屏蔽涂層。相比于其他封裝屏蔽方式，涂覆更加精準，結合更加穩定，更具有厚度可調節、成分可摻雜的優點。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題是多層納米復合涂層與陶瓷外殼之間的結合力問題。需要充分考慮涂層在后續應用環境中的熱、應力與結合力之間的競爭關系，確保一體化封裝結構長期可靠。一體化抗輻射封裝工藝中出現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程中，待涂覆的器件需要緊固。器件夾持不當將產生應力過度集中，導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，一是基體表面未經粗化處理，涂層與基體的結合力較差，在機械試驗后脫落；二是涂層材料與基體之間的熱膨脹系數不匹配，隨涂層厚度增加，兩者之間的應力加大，在溫度循環后產生脫落。

3）涂層不均勻

涂層不均勻主要體現在涂層左右高度不對稱、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：一是涂覆工藝中設置的移動速度和路徑設計不合理，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，涂層設計的目標值過厚，當涂層過厚，涂層的共面性就會明顯下降；三是為了提高抗輻射性能，采用的涂層粉末粒度小，粉末流動性較差，造成了噴涂過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，混粉和球磨時間不足，材料破碎不充分或發生了團聚現象，導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

在制備不同材質的多層涂層時，新的涂層顆粒會對之前較薄、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，導致電性能失效，這是最嚴重的失效情況之一，主要原因是制備涂層工藝不精細，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，在制備過程中所需提供的工藝壓力、溫度也不相同。對于密度較大的金屬材料，需要更大的能量以實現涂層與機體的結合，如果能量不足，涂層結合不牢固，就會出現局部區域無法結合的現象。若能量過大，會損傷集成電路的外殼基體、破壞蓋板及密封環等密封結構。

針對一體化抗輻射封裝典型失效模式，在此進行了FMEA 分析。主要分析失效模式的嚴重度、頻度和探測度，并計算出風險系數RPN 值。相應的解決辦法也在分析中給出。詳細分析結果如表1 所示。

表1 一體化抗輻射封裝典型失效模式FMEA 分析

4 結 束 語

通過簡要介紹封裝屏蔽技術的發展歷程，針對現有封裝屏蔽方法中存在的主要問題，例如屏蔽材料有效面積比率低，屏蔽層與封裝基體結合度差等，提出基于冷噴涂的一體化抗輻射封裝結構制備方法，使封裝過程更精準、更穩定，兼有厚度可調節、成分可摻雜的優點。通過逐一研究各種典型失效模式，對一體化封裝開展FMEA 分析，計算風險系數RPN 值，并提出了應對措施。分析結果對抗輻射加固領域相關器件及封裝工藝的進一步深入研究具有一定的參考價值。