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
抗辐射封装加固器件典型失效模式
赵鹤然1，王吉强2，李靖旸1，康
敏1，孔
明1
（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）摘要：封装屏蔽是抗辐射加固技术领域的重要分支，
相比于芯片的设计加固和工艺加固，具有成本低、周期短、难度小等优势，可根据集成电路应用时所处的辐射环境，
选择相应的屏蔽材料实现有针对性的封装加固。基于复合金属材料屏蔽原理，
台风蒲公英生成
提出一种一体化的抗辐射封装结构及其制备方法。屏蔽涂层制备具有涂覆精准、结合稳定，厚度可调节、成分可掺杂等特点。通过对一体化屏蔽封装开展 FMEA 分析，归纳总结制备过程中的典型失效模式，
并根据严重度、频度和探测度，计算出风险系数RPN 值，最终提出应对措施。
关键词：屏蔽；封装加固；抗辐射；
总剂量效应；电子辐射DOI ：10.3969/j.issn.1002-2279.2021.02.003中图分类号:TN406文献标识码:A 文章编号：1002-2279（2021）02-0010-04
Typical Failure Modes of Radiation Hardening Packaged and
Reinforced Devices
ZHAO Heran 1,WANG Jiqiang 2,LI Jingyang 1,KANG Min 1,KONG Ming 1
(1.The 47th Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110000,China;
2.Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China )
Abstract:Packaging shielding is an important branch in the field of radiation hardening technology.Compared with the reinforcement of chip design and process,it has the advantages of low cost,short cycle and low difficulty.According to the radiation environment in which integrated circuits are applied,the corresponding shielding materials can be selected to achieve targeted packaging reinforcement.Based on the shielding principle of composite metal materials,an integrated
anti-radiation packaging structure and its preparation method are proposed.The preparing of that shield coating has the characteristic of accurate coating,stable bonding,adjustable thickness,doping of component and the like.Through FMEA analysis of integrated shielding package,the typical failure modes in the preparation process are summarized,and the risk coefficient RPN value is calculated according to the severity,frequency and detection degree,and finally the countermeasures are put forward.
Key words:Shielding;Package reinforcement;Radiation hardening;Total dose effect;Electron radiation
作者简介：赵鹤然（1986—），男，辽宁省沈阳市人，硕士，高级工程师，主研方向：电子封装可靠性，封装加固。
收稿日期：2020-08-21
微处理机
MICROPROCESSORS
第2期2021年4月
No.2Apr.，2021
2期球带电粒子、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，
中国给水排水编辑部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。
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1DIP
陶瓷外壳集成电路封装样品
图2涂层不均匀典型案例
(c)表面平整度差
(a)左右高度不对称(d)成分不均匀
(b)共面性差
赵鹤然等：抗辐射封装加固器件典型失效模式
·11·
微处理机2021年
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，
太原艾滋病检测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。RPN 解决办法
8确保样品电路的一致性，固化涂覆工艺参数和涂覆时间。
序号失效后果123489
实际涂层厚度与设计涂层厚度不符
降低涂层厚度。
优化涂覆工艺参数，
提高涂层结合力。1591618200管壳出现裂纹涂层脱落涂层不均匀涂层共面性差
涂层表面缺陷
和局部脱落采用优化试验，确定电路基体所能承受的最大加持力；
夹持样品时，确保实际夹持力低于基体所能承受的最大加持力。采用低压力喷砂，粗化基体；涂层与基体之间添加中间过渡层，
提高两者间的热匹配。增加送粉器的振动，提高粉末输送的均匀性；失依儿童
合理规划喷移动路径和速度。
严重度频度探测度41
2
5133132243238557引脚间绝缘电阻下降1097630分步骤完成涂层制备，优化工装卡具；
保证喷涂时除喷涂表面外的其它部分不接触冷喷涂气流。
5增加送粉器振动，提高粉末均匀性；
优化涂覆路径。12涂层表面平整度差2236多层涂层损伤3
5575
优化涂覆工艺参数，降低喷涂冲击力。制作复合涂层代替多层涂层。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。
参考文献：
[1]沈自才，夏彦，杨艳斌，等.航天器空间辐射防护材料与薄层谱
防护结构[J].宇航材料工艺,2020,50(2):1-7.
SHEN Zicai,XIA Yan,YANG Yanbin,et al.Protection of materials and structures from space radiation environments
on spacecraft[J].Aerospace Materials &Technology,2020,50(2):1-7.
[2]
赵磊，尚钰轩，袁爽，等.载人深空探索中空间辐射防护技术的研究进展[J].科学通报,2019,64(20):2087-2103.ZHAO Lei,SHANG Yuxuan,YUAN Shuang,et al.Research progress of space radiation protection technologies in manned deep space exploration missions[J].Chinese Science Bulletin,2019,64(20):2087-2103.
[3]
吴大蔚，张华，赵亚丽，等.载人航天飞行空间辐射研究进展[J].航天医学与医学工程,2018,31(2):152-162.WU Dawei,ZHANG Hua,ZHAO Yali,et al.Research pro-gress of space radiation for manned spaceflight[J].Space Medicine &Medical Engineering,2018,31(2):152-162.[4]
华能国际电子
张文娟，张金利，李军.屏蔽空间电离总剂量的CMOS IC 封装[J].信息与电子工程,2012,10(4):495-499.
ZHANG Wenjuan,ZHANG Jinli,LI Jun.CMOS IC package of shielding total ionizing doses[J].Information and Electro-
nic Engineering,2012,10(4):495-499.
·12·
2期
[5]卫宁，王剑峰，杜婕，等.抗辐射加固封装国产存储器的
电子辐照试验[J].信息与电子工程,2010,8(1):87-90. WEI Ning,WANG Jianfeng,DU Jie,et al.Electron irradi-ation test of anti-irradiation hardened package for home-made memory devices[J].Information and Electronic Engi-neering,2010,8(1):87-90.
[6]文林，郭旗，张军，等.屏蔽材料封装CMOS器件的电子
辐照损伤[J].核电子学与探测技术,2009,29(2):398-401. WEN Lin,GUO Qi,ZHANG Jun,et al.Electron-i
nduced damage of CMOS with shielded packages[J].Nuclear Elec-tronics&Detection Technology,2009,29(2):398-401.[7]熊天英，吴杰，陶永山，等.冷气动力喷涂技术研究[J].热
喷涂技术,2009,1(1):14-19.
XIONG Tianying,WU Jie,TAO Yongshan,et al.Study on cold gas dynamic spray technology[J].Thermal Spray Tech-nology,2009,1(1):14-19.
[8]巴德玛，马世宁，李长青，等.超音速微粒轰击45钢表面
纳米化的研究[J].材料科学与工艺,2007,15(3):342-346. BA Dema,MA Shining,LI Changqing,et al.Surface nano-crystallization of45steel induced by supersonic fine particles bombarding[J].Materials Science and Technology,2007,15 (3):342-346.
赵鹤然等：抗辐射封装加固器件典型失效模式·13·
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议