抗輻射封裝加固：電子輻射屏蔽設計

趙鶴然，王吉強，陳明祥，楊 濤，何承發，杜 昊

（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；3.華中科技大學機械科學與工程學院，武漢430074；4.中國科學院國家空間科學中心，北京100190；5.中國科學院新疆理化技術研究所，烏魯木齊830011；6.廣東腐蝕科學與技術創新研究院，廣州510530）

1 引言

空間環境輻射對宇航級器件產生輻射效應，包括總劑量效應、單粒子效應、位移損傷、充放電效應等。根據國內外以往對航天事故的統計，約40%的故障由空間輻射造成，其中總劑量效應是人們研究的重點領域[1-2]。主流的抗輻射加固途徑主要是芯片設計和工藝加固，設計周期較長，流片及驗證成本高，大大提高了宇航級器件研發門檻。

針對總劑量效應的封裝加固技術研究起始于上世紀70年代，國內外常見的屏蔽材料主要有金屬、金屬-陶瓷、金屬-環氧樹脂、有機薄膜等[3-6]。在此基于Al/Ta納米復合結構，提出一種改進的封裝抗輻射加固方法，通過復合涂層實現對高能電子及其二次輻射的有效屏蔽。

2 GEO軌道輻射環境仿真

此處利用AE8模型，分析器件在GEO軌道服役15年內遭遇的輻射帶電子，以及質子平均能譜數值結果。詳細數據如表1所示。可以看出，在GEO軌道中，對于總劑量效應，能量為0.04MeV～7MeV的輻射帶電子占據主導地位，其通量會隨著能量增加而減少。

表1 GEO軌道電子和質子平均能譜數值

由于空間環境具有較高的溫差變化，飛行器服役過程中會遇到各類高加速環境，材料間熱匹配會產生熱應力問題；屏蔽材料與封裝基材間會出現結合強度問題；屏蔽材料會導致封裝基材腐蝕問題；屏蔽材料會引起器件增重問題。這些問題共同制約了封裝加固技術的實際應用。研究高可靠、低密度、高吸收系數的高效屏蔽材料，對抗輻封裝加固技術有重要意義。

3 電子總劑量屏蔽機理

3.1 電子對屏蔽材料的作用

電子在通過物質時，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電離和激發。由于電子質量較小，發生電離與激發后運動方向有較大變化。電離會產生次級電子，如果次級電子能量足夠大，會在物質中進一步運動，與原子發生作用繼續產生電離。

同時，電子在靶物質中還會發生軔致輻射，即由于電子速度與運動方向的變化，一部分或全部能量轉變為電磁輻射。軔致輻射強度與靶核原子序數的平方成正比，與帶電粒子質量的平方成反比。高能電子經過封裝材料后產生的軔致輻射，使得器件總劑量輻射環境變得更加惡劣。因此，以往研究屏蔽空間環境中高能電子時，出現了“越擋越亂”的現象。

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。在劑量建成區和高劑量坪區之后，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。這是因為在材料厚度大于電子射程時，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

曲線尾端緩慢下降呈現平臺，基本上是由入射初始電子被屏蔽材料慢化時產生的軔致輻射貢獻的。由圖1中可以看出，入射電子能量越高，產生的軔致輻射也越嚴重，所造成的尾端劑量分布平臺劑量就越大。

3.3 復合屏蔽

大量研究表明，復合材料所具有的屏蔽效率較高，其技術核心理念在于使“重”材料得到最有效的利用。Spieth B D等人認為，在Al等傳統屏蔽材料后用熱噴涂的方法增加Ta層等高原子序數材料進行復合屏蔽，可以減重25%～30%[7]。Mangeret R等人研究表明，Al、W復合屏蔽效果優于單一屏蔽，并驗證了“外層Al+內層W”的多層結構屏蔽效果優于“內層Al+外層W”的結構[8]。

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

本研究選用Al和Ta分別作為低原子序數材料和高原子序數材料，提出一種復合屏蔽方法。通過原子序數較低的Al材料在盡量少產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，以此達到對高能電子輻射及其二次輻射的高效屏蔽。

4 復合涂層制備及試驗驗證

4.1 涂層制備及表征

為了突破現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復合納米涂層，獲得了結構致密、成分均勻、性能穩定的加固涂層。新舊涂層結構示意圖如圖2所示。

圖2 復合涂層結構示意圖

如圖3所示為涂層形貌表征結果。制備涂層前后電路外觀實際狀態如圖4所示。

圖3 顯微鏡下復合涂層形貌表征

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晶粒后產生的軔致輻射，可以在最短路徑上即被包裹納米Al晶粒周圍的納米Ta晶粒吸收，從而提高屏蔽效率。由于涂層具有“仿形”特性，可減少無效增重，符合宇航應用的需求。

4.2 可靠性測試

可靠性是制約封裝加固技術實際應用的核心問題。由于屏蔽材料與器件外殼主體間的熱膨脹系數差的存在，會產生熱應力問題。屏蔽涂層越厚，熱應力也越大。為了提高屏蔽效果，需要制備盡可能厚的涂層，但涂層結合強度一般會隨著厚度的增加而衰減。相比于金屬材料而言，有機材料更利于與器件外殼主體結合，但其長期穩定性難以保證。屏蔽材料一方面引起器件增重，消耗航天器動力，另一方面由于其自身重量，在高加速環境中容易發生涂層脫落。

針對如上各方面考慮，按照GJB 548B-2005中規定的溫度循環和恒定加速度試驗方法，對含所設計復合涂層的器件進行可靠性測試，條件及結果如表2所示。測試結果表明，涂層與封裝材料間具有較高的親和力和結合強度，符合相關可靠性試驗要求。

表2 試驗條件及結果

4.3 輻照試驗

試驗利用增材制造方法，用劑量片測定屏蔽效率，試驗原理示意圖如圖5所示。在試驗中，對不同厚度（0.5 mm～2.0mm）的Al、Ta復合屏蔽涂層進行切割；使用ELV-8II型電子加速器生成1MeV高能電子束，模擬空間輻射環境中的高能電子，對涂層進行輻照試驗。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值并計算出涂層的透射率。試驗過程中使用PE背散射平衡體，滿足劑量片的測試條件。

圖5 劑量片測定屏蔽效率原理

表3給出厚度為0.1mm～0.5mm的復合涂層的透射率。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。當涂層厚度在0.4mm以上時，屏蔽效率超過90%；當涂層厚度在0.2mm以上時，增加單位厚度涂層所能得到的抗輻射收益開始降低。這是由于透過屏蔽材料的高能電子已經大幅減少，剩余劑量由較為頑固的軔致輻射提供。

表3 Al、Ta復合涂層透射率

通過繼續優化鋁、坦復合涂層的配比和結構，可以進一步增加屏蔽效率。實際應用中，屏蔽涂層并不是越厚越好，而要根據器件的加固指標要求、設計余量、允許增重等因素綜合選取最合適的方案，避免加固“過設計”。

5 結束語

能過分析器件在GEO軌道的質子和電子能譜，可以確定在總劑量效應中電子占據主導地位，進而展開有針對性的設計。對高能電子屏蔽設計以Al/Ta復合形式，形成高/低原子序數材料相結合，通過Al材料屏蔽高能電子，Ta材料來吸收軔致輻射，達到對高能電子輻射及其二次輻射的高效屏蔽。通過冷噴涂方法所制備的納米Al/Ta復合涂層，也在實際試驗中獲得良好效果。本設計的加固方法，具有屏蔽設計周期短、成本低、制造快、效果好等特點。然而在實際應用中，還需根據器件實際使用需求，選取合適的屏蔽涂層厚度，避免加固“過設計”。