[發明專利]一種提高器件抗電離輻射總劑量效應的方法

有效

• 申請號: 201410220512.9
• 申請日: 2014-05-22
• 公開（公告）號: CN103996673B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 郭紅霞;陳偉;郭旗;何承發;羅尹虹;文林;王玲;張鳳祁;趙雯;肖堯
• 申請（專利權）人: 中國科學院新疆理化技術研究所
• 主分類號: H01L23/552
• 分類號: H01L23/552;G21F1/12
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司61211
• 代理人: 王少文

技術領域

本發明屬于電子技術和核技術在航天電子學領域中的應用，具體涉及一種利用局部屏蔽設計來提高器件抗電離輻射總劑量效應能力的方法。

背景技術

空間輻射環境主要包括宇宙射線、范艾倫輻射帶(Van?Allen?Belt)、太陽耀斑、太陽電磁輻射和極光輻射等。不同的軌道輻射環境不同。對于圍繞地球運行的航天器威脅最大的是位于赤道上空的內、外范艾倫輻射帶，它們主要由高能質子(10～100MeV)和高能量電子(0.4～7MeV)所組成，受輻射的劑量率可分別達到1Gy(Si)/h及數十Gy(Si)/h。對于LEO(Low?Earth?Orbit)，輻射劑量包括俘獲帶的電子和質子，而對于地球同步軌道，劑量主要是電子的貢獻。

天然空間輻射的電子、質子會造成器件發生電離輻射總劑量效應，提高器件抗電離輻射總劑量效應可以采用屏蔽防護，首先要考慮衛星殼體、系統盒體等其它部件的衰減，然后根據軌道和飛行任務時間計算要求的器件封裝屏蔽厚度。

微電子電路封裝屏蔽可以認為是sandwiched結構，在兩個板狀之間夾了Si層(IC芯片)。高Z材料，例如鎢、鉭是最好的屏蔽初級電子的材料，優化屏蔽質量厚度小于1.5g/cm²；高Z材料(原子序數高的材料)，對于二次軔致輻射的光子(不是來自屏蔽材料本身)或大氣層外核爆炸初級X射線脈沖，也是第一選擇考慮；特別注意的是，選用高Z材料作屏蔽防護時，高Z材料和芯片之間要有足夠厚的低Z封裝材料，材料的厚度一般大于次級光電子的射程，這樣既達到屏蔽效果，又不會因為二次封裝的高Z材料產生的二次電子對器件造成增強的輻射損傷。

低/中Z材料對于質子屏蔽較好，但在屏蔽有效性一定時，材料要厚一些，這對于有體積限制的情況可能不可取。低/中Z材料對電子產生的軔致輻射也小一些，質量厚度大于1.5g/cm²時，屏蔽效果最好。

SEI(SPACE?ELECTRONICS?INC.)是美國著名半導體公司MAXIMUM的子公司，專為美國提供高可靠抗輻射超大規模集成電路，該公司現已開發、研制出提高器件抗輻射能力的各種工藝封裝方法。資料表明，這些工藝用于LEO和地球同步軌道的衛星的電路，其抗總劑量水平大于100krad(Si)。

發明內容

為提高航天器器件抗電離輻射總劑量效應，保證屏蔽效果最好的同時，使封裝質量最小，本發明提供一種提高器件抗電離輻射總劑量效應的方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)制作單層結構復合材料：

選擇不同的金屬粉末添加到含鉛10％的樹脂中固化，其中鉛的含量為樹脂重量的10％，經模壓成形為各種復合材料，所述金屬粉末為Al、Ta或Kovar，其含量范圍為樹脂重量的0.1％-0.8％，

2)制作多層結構復合材料：

將單層結構復合材料進行組合，制作成雙層和三明治結構的復合材料，所述雙層結構的組合為Al/Ta組合，所述三明治結構的組合為Al/Ta/Kovar組合；

3)測量電子束在復合材料中的透射系數：

電子加速器產生的電子束穿過雙層和三明治結構的復合材料后被真空環境下的法拉第筒所接收，所產生的電流經屏蔽線纜后送入束流積分儀，從而得到該復合材料的測量透射系數；

4)采用蒙特卡洛粒子輸運方法模擬計算材料的理論透射系數：

采用蒙特卡洛粒子輸運方法模擬計算，每次計算跟蹤20萬個粒子，采取先電子后光子的模擬原則，對電子及產生的次級光子和次級電子的所有次級過程都進行模擬跟蹤，直到全部粒子跟蹤完畢；

5)根據模擬計算與試驗測量結果的比較，反復修正計算模型，計算出不同能量電子束入射單層結構復合材料以及雙層和三明治結構復合材料的電子透射系數；

6)比較單層結構復合材料和多層結構復合材料的電子透射系數，確定屏蔽效果最好的復合材料，在器件的相應芯片處進行二次封裝，即可提高器件抗電離輻射總劑量效應。

在步驟1的復合材料制作過程中，調整各種金屬粉末的含量以保證各種復合材料的面密度相同；

在步驟2中，雙層和三明治結構的復合材料的各層厚度平均分配。

上述步驟4采用蒙特卡洛粒子輸運方法模擬計算時，具體采取Berger壓縮歷史方法，通過Moliere多次散射理論和Goudmsit-Saudon多次散射理論進行計算。

本發明有益效果：