[发明专利]一种提高器件抗电离辐射总剂量效应的方法

说明书

技术领域

本发明属于电子技术和核技术在航天电子学领域中的应用，具体涉及一种利用局部屏蔽设计来提高器件抗电离辐射总剂量效应能力的方法。

背景技术

空间辐射环境主要包括宇宙射线、范艾伦辐射带(Van Allen Belt)、太阳耀斑、太阳电磁辐射和极光辐射等。不同的轨道辐射环境不同。对于围绕地球运行的航天器威胁最大的是位于赤道上空的内、外范艾伦辐射带，它们主要由高能质子(10～100MeV)和高能量电子(0.4～7MeV)所组成，受辐射的剂量率可分别达到1Gy(Si)/h及数十Gy(Si)/h。对于LEO(Low Earth Orbit)，辐射剂量包括俘获带的电子和质子，而对于地球同步轨道，剂量主要是电子的贡献。

天然空间辐射的电子、质子会造成器件发生电离辐射总剂量效应，提高器件抗电离辐射总剂量效应可以采用屏蔽防护，首先要考虑卫星壳体、系统盒体等其它部件的衰减，然后根据轨道和飞行任务时间计算要求的器件封装屏蔽厚度。

微电子电路封装屏蔽可以认为是sandwiched结构，在两个板状之间夹了Si层(IC芯片)。高Z材料，例如钨、钽是最好的屏蔽初级电子的材料，优化屏蔽质量厚度小于1.5g/cm²；高Z材料(原子序数高的材料)，对于二次轫致辐射的光子(不是来自屏蔽材料本身)或大气层外核爆炸初级X射线脉冲，也是第一选择考虑；特别注意的是，选用高Z材料作屏蔽防护时，高Z材料和芯片之间要有足够厚的低Z封装材料，材料的厚度一般大于次级光电子的射程，这样既达到屏蔽效果，又不会因为二次封装的高Z材料产生的二次电子对器件造成增强的辐射损伤。

低/中Z材料对于质子屏蔽较好，但在屏蔽有效性一定时，材料要厚一些，这对于有体积限制的情况可能不可取。低/中Z材料对电子产生的轫致辐射也小一些，质量厚度大于1.5g/cm²时，屏蔽效果最好。

SEI(SPACE ELECTRONICS INC.)是美国著名半导体公司MAXIMUM的子公司，专为美国提供高可靠抗辐射超大规模集成电路，该公司现已开发、研制出提高器件抗辐射能力的各种工艺封装方法。资料表明，这些工艺用于LEO和地球同步轨道的卫星的电路，其抗总剂量水平大于100krad(Si)。

发明内容

为提高航天器器件抗电离辐射总剂量效应，保证屏蔽效果最好的同时，使封装质量最小，本发明提供一种提高器件抗电离辐射总剂量效应的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)制作单层结构复合材料：

选择不同的金属粉末添加到含铅10％的树脂中固化，其中铅的含量为树脂重量的10％，经模压成形为各种复合材料，所述金属粉末为Al、Ta或Kovar，其含量范围为树脂重量的0.1％-0.8％，

2)制作多层结构复合材料：

将单层结构复合材料进行组合，制作成双层和三明治结构的复合材料，所述双层结构的组合为Al/Ta组合，所述三明治结构的组合为Al/Ta/Kovar组合；

3)测量电子束在复合材料中的透射系数：

电子加速器产生的电子束穿过双层和三明治结构的复合材料后被真空环境下的法拉第筒所接收，所产生的电流经屏蔽线缆后送入束流积分仪，从而得到该复合材料的测量透射系数；

4)采用蒙特卡洛粒子输运方法模拟计算材料的理论透射系数：

采用蒙特卡洛粒子输运方法模拟计算，每次计算跟踪20万个粒子，采取先电子后光子的模拟原则，对电子及产生的次级光子和次级电子的所有次级过程都进行模拟跟踪，直到全部粒子跟踪完毕；

5)根据模拟计算与试验测量结果的比较，反复修正计算模型，计算出不同能量电子束入射单层结构复合材料以及双层和三明治结构复合材料的电子透射系数；

6)比较单层结构复合材料和多层结构复合材料的电子透射系数，确定屏蔽效果最好的复合材料，在器件的相应芯片处进行二次封装，即可提高器件抗电离辐射总剂量效应。

在步骤1的复合材料制作过程中，调整各种金属粉末的含量以保证各种复合材料的面密度相同；

在步骤2中，双层和三明治结构的复合材料的各层厚度平均分配。

上述步骤4采用蒙特卡洛粒子输运方法模拟计算时，具体采取Berger压缩历史方法，通过Moliere多次散射理论和Goudmsit-Saudon多次散射理论进行计算。

本发明有益效果：