航天电子元器件抗辐照加固工艺

电子工艺技术ElectronicsProcessTechnology442013年1月第34卷第1期由于我们的卫星及有效载荷在轨运行阶段脱离了大气层的保护，直接暴露在空间环境下，电子设备会受到辐射和重粒子的冲击而发生各种辐射效应，造成其工作的异常或故障，从国内外对航天事故的统计数据可以发现，40%的故障源于空间辐射。因此，在使用器件时必须对其进行专门的抗辐照工艺处理,以确保其工作的可靠性。本文在对空间辐射环境进行分析的基础上，介绍了一种经飞行验证过的、简单和可靠的元器件抗辐照加固工艺技术。1空间辐射环境空间辐射环境根据来源不同主要分为太阳活动、宇宙射线和范艾伦辐射带（VanAllenBelt）等[1,2]。处于不同的轨道辐射环境也不同，对于围绕地球运行摘　要：介绍了空间辐射环境及电子元器件抗辐照处理的必要性；阐述了影响抗辐照加固性能的主要因素。结合实际工程应用，对于抗辐照加固工艺过程进行了着重说明，列举了抗辐照加固环节所应注意的一些要点。关键词：空间辐射；抗辐照加固；电子元器件中国分类号：TN605　文献标识码：Ａ　文章编号：1001-3474（2013）01-0044-03Abstract:Introducespaceradiationenvironmentandthenecessityofelectroniccomponentsresistancetoirradiation.Describetheeffectsofmainfactorsontheperformancesofantiradiation.Theprocessofantiradiationprocessisillustratedinhighlightscombinedwithpracticalengineeringapplications.Andcertainofpointsthatshouldbenotedareenumeratedforthestepofantiradiation.KeyWords:Spaceradiation;Antiradiation;ElectroniccomponentDocumentCode:AArticleID:1001-3474(2013)01-0044-03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（30MeV～100MeV）和高能量电子（0.4MeV～1.0MeV）组成，受辐射的剂量率可分别达到1Gy/h和10Gy/h。1.1太阳活动太阳辐射是空间辐射环境中最活跃和最主要的因素，太阳活动分为缓变型太阳活动和爆发型太阳活动，它们的辐射影响不同。前者主要成分为电子和质子，发射粒子流的速度为300km/s～900km/s,后者主要成分为大量的带电粒子流和高能射线，发射粒子流的速度高达2000km/s以上，其能量比前者高出几个数量级。太阳活动周期为11年。如太阳耀斑等爆发型太阳活动，其特点是持续时间短，但是功率极高，一般高能质子对航天电子设备具有极大的破坏性，因航天电子元器件抗辐照加固工艺Resist-RadiationHardeningTechnologyonAerospaceElectronicComponents孙慧，徐抒岩，孙守红，张伟SUNHui;XUShu-yan;SUNShou-hong;ZHANGWei（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033）(ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofsciences,Changchun130033,China)作者简介：孙慧（1983-）男，吉林省长春市人，毕业于哈尔滨工程大学，长春光学精密机械与物理研究所助研，主要从事航天产品电子装联工艺技术研究工作。第34卷第1期45此一直是空间辐射领域的研究重点。1.2宇宙射线宇宙射线成分为83%的高能粒子，具有极大的贯穿能力。所以飞行器在外层空间运行所受的辐射是相当严重的，处于地球卫星中的航天电子系统每年所接受到累积辐射剂量可达100Gy以上，其中暴露于表面的元器件更高。1.3范艾伦辐射带在没有爆发型太阳活动时，辐射带内高能粒子的组成和分布相对稳定。当爆发型太阳活动发生，或行星际磁场对地球磁场产生扰动时，辐射带内高能粒子的能谱和通量将会激增、且辐射带更靠近地球，从而导致地球卫星，甚至地面电气设备的故障。目前主要关注低轨道环境（即轨道高度100km～1000km），典型辐射剂量是每年0.1krad，对于寿命期3年～5年飞行器，总辐射剂量小于0.5krad。在地球极地轨道，飞行器经过离子宇宙线和太阳耀斑等区域也会沉积大量的辐射。2抗辐照加固工艺抗辐照加固工艺几乎是抗辐照措施的最后一个环节，所以此项工艺实施的好坏就显得十分重要。整个工艺由多个环节组成，如图1所示。PCB设计准备预固定检验抗辐照材料成型交付检验加固安装、焊接图1　抗辐照加固工艺流程2.1PCB设计准备由于抗辐照加固是对元器件的二次加工，常规的PCB设计往往不能满足装联需求，为提高抗辐照加固的可靠性，需要在PCB设计阶段提供适当的保证措施。PCB设计在元器件抗辐照加固中起着关键性的作用，一个好的PCB设计不仅要保证电气连接的正确性，还要考虑电子装联和机械振动的可靠性。具体要求如下：（1）由于元器件进行加固处理后，本体质量会大幅增加，所以在线路板设计过程中，要将待抗辐照加固元器件以超重器件来看待，在元器件布局过程中要充分加以考虑（布局要尽可能靠近边框或加强筋等），避免在后续力学试验中出现问题。（2）焊盘设计。元器件质量增加，分配到每个管脚的质量也相应增加，所以，要确保每个管脚焊点的可靠性，需对焊盘进行特殊考虑：（a）双列直插器件，金属化孔需大于元器件管脚0.2mm～0.4mm，焊盘在满足安全间距的条件下需比常规推荐焊盘尺寸大些，外径为内径的1.5倍～2.0倍；（b）QFP元器件，焊盘尺寸需超出管脚尺寸，左右各需大于0.10mm，前后各需大于0.75mm，并且对于没有电气连接定义的焊盘也需引出铜线。（3）封装设计。由于元器件抗辐照加固后，封装尺寸会变大，所以PCB上元器件封装不能单纯依赖元器件手册的推荐封装，需要进行相应的放大，以避免实际安装过程中元器件间互相干涉；（4）元器件抗辐照加固过程中需要对元器件进行绑扎处理，所以在线路板设计过程中需在元器件周边预留绑线工艺孔。2.2抗辐照材料的成型抗辐照加固的材料有多种，常用的有铅片和钽片等，本文以铅片为例，介绍抗辐照加固的工艺过程。2.2.1铅片的成型将厚度为0.5mm～2.0mm的铅片（铅片的厚度由抗辐照指标来确定）按待加固处理元器件的形状与尺寸剪裁和成型，并将铅片边缘进行倒角处理。2.2.2标识用激光打标机或刻字机在成型完成的铅片上做好标识，包括元器件方向、型号和批次等，此环节较为重要，因为加固后的芯片会被铅片完全覆盖，器件的相关信息将不再可视，所以标识过程要认真核实。2.2.3清洗和烘干用无水乙醇对标识完成的铅片进行清洗，去掉表面油脂及成型和标识环节残留的金属屑等多余物，放入烘干箱内烘干。2.2.4试装将成型完成的铅片与元器件进行试装，检查方向、批次和型号是否一致，检查成型尺寸是否弯曲吻合，如图2所示。图2　成型铅片的安装2.3预固定成型完成的铅片需要与元器件之间进行预固定，使之成为一个整体，固定方法有如下两种。2.3.1绑扎法适用于双列直插器件：（1）在元器件与铅片间用一面积略小于安装面的双面胶暂时固定；（2）用耐高温绑扎线沿元器件横向或纵向进行至少两道绑扎；（3）在节点处点Q98-1硝基胶进行防松固定，如图3所示。孙慧，等：航天电子元器件抗辐照加固工艺2013年1月电子工艺技术ElectronicsProcessTechnology46图3　双列直插器件的预固定图4　QFP器件的预固定图5　绑扎固定2.3.2胶粘法适用于QFP等表贴器件：（1）用无水乙醇清洗元器件待粘贴表面，烘干待用；（2）在待粘贴铅片上均匀涂抹一层厚度为0.1mm～0.2mm的GD414单组份室温硫化硅橡胶（C级）；（3）将铅片平放在平台上，由元器件向铅片进行粘贴，稍施加压力，允许少量胶液溢出；（4）固化24h后方可使用，如图4所示。2.4试装试装过程的注意事项：（1）检验QFP器件的各个管脚是否有变形，共面性要求小于0.1mm；（2）检验加固后的器件与周围器件是否有干涉。2.5焊接焊接过程的注意事项：（1）由于元器件加固处理后热容量增加，避免焊接过程温度过低导致焊点不良，在焊接前可对元器件及线路板局部进行预热处理；（2）双列直插元器件各管脚透锡率需大于85%；（3）焊接前在QFP器件底部点适量GD414单组份室温硫化硅橡胶，以缓解由于加固增加质量而导致的管脚支撑压力。2.6加固为满足航天各力学试验要求，焊接完成后的元器件必须进行加固处理，基本加固方法有如下两种。2.6.1绑扎法利用事先预留的PCB绑扎工艺孔，选用耐高温绑扎线，将焊接完成的元器件与线路板绑扎固定在一起，节点处可选用Q98-1硝基胶进行防松处理，如图5所示。绑扎法的优点是操作方便、快捷和热应力较小等，缺点是抗力学振动能力一般和绑扎力度不好掌握等。2.6.2局部固封法（1）针对双列直插器件可选用GD414单组份室温硫化硅橡胶进行局部粘固处理；（2）针对QFP等表贴器件可选用QD231硅橡胶进行局部灌封处理。局部固封法的优点是工艺一致性好、操作可靠、加固牢靠和抗机械振动效果好等，缺点是不便于返修，有热应力等[3-5]。2.7检验固封完成后，需对加固的元器件进行全面的检验，包括器件标识是否清晰、方向是否正确、焊接是否合格和加固是否牢靠等。3结束语铅片抗辐照加固是一种有效的抗辐照加固方法，其优点是技术简单、可操作性强、工作可靠和使用寿命长等。本文结合实际工程应用，从工艺角度对元器件抗辐照加固进行了详尽的介绍。为提高抗辐照性能与可靠性，需要从PCB设计、成型、焊接和加固等工艺方面进行综合的考虑。值得注意的是，虽然此工艺方法在一定程度上提高了芯片的抗辐照能力，但是也存在一些缺点，例如增加了元器件的质量，对高能粒子产生的单粒子效应屏蔽效果不佳等。因此，元器件抗辐照加固工艺还有待进一步进行研究。参考文献[1][2][3][4][5]周建涛，蔡伟，武延鹏，等.星敏感器空间辐射效应研究[J].宇航学报，2010，31（1）：24-25.李桃生，陈军，王志强.空间辐射环境概述[J].辐射防护通讯，2008，28（2）：1-8.毛书勤，张伟，李静秋.印制电路板固封工艺技术[J].电子工艺技术，2009，20（2）：79-81.高华，赵海霞.灌封技术在电子产品中的应用[J].电子工艺技术，2003，24（6）：257-259.张伟，孙守红，孙慧.CCGA器件的可靠性组装及力学加固工艺[J].电子工艺技术，2011，32（6）：349－352.收稿日期：2012-11-08航天电子元器件抗辐照加固工艺作者：孙慧，徐抒岩，孙守红，张伟作者单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033刊名：电子工艺技术英文刊名：ElectronicsProcessTechnology年，卷(期)：2013(1)参考文献(5条)1.周建涛;蔡伟;武延鹏星敏感器空间辐射效应研究[期刊论文]-{H}宇航学报2010(01)2.李桃生;陈军;王志强空间辐射环境概述[期刊论文]-{H}辐射防护通讯2008(02)3.毛书勤;张伟;李静秋印制电路板固封工艺技术[期刊论文]-{H}电子工艺技术2009(02)4.高华;赵海霞灌封技术在电子产品中的应用[期刊论文]-{H}电子工艺技术2003(06)5.张伟;孙守红;孙慧CCGA器件的可靠性组装及力学加固工艺[期刊论文]-{H}电子工艺技术2011(06)本文链接：