航天電子元器件抗輻照加固工藝

1、電子工藝技術(shù)Electronics Process Technology442013年 1月 第 34卷第 1期由于我們的衛(wèi)星及有效載荷在軌運行階段脫 離了大氣層的保護,直接暴露在空間環(huán)境下,電子 設(shè)備會受到輻射和重粒子的沖擊而發(fā)生各種輻射效 應(yīng),造成其工作的異?；蚬收?從國內(nèi)外對航天事 故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),40%的故障源于空間輻射。 因此,在使用器件時必須對其進行專門的抗輻照工 藝處理,以確保其工作的可靠性。本文在對空間輻射環(huán)境進行分析的基礎(chǔ)上,介 紹了一種經(jīng)飛行驗證過的、簡單和可靠的元器件抗 輻照加固工藝技術(shù)。1 空間輻射環(huán)境空間輻射環(huán)境根據(jù)來源不同主要分為太陽活動、 宇宙射線和范艾倫輻

2、射帶(Van Allen Belt等 1,2。處 于不同的軌道輻射環(huán)境也不同,對于圍繞地球運行摘要:介紹了空間輻射環(huán)境及電子元器件抗輻照處理的必要性;闡述了影響抗輻照加固性能的主要因素。 結(jié)合實際工程應(yīng)用,對于抗輻照加固工藝過程進行了著重說明,列舉了抗輻照加固環(huán)節(jié)所應(yīng)注意的一些要點。關(guān)鍵詞:空間輻射;抗輻照加固;電子元器件中國分類號:TN605 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-3474(201301-0044-03Abstract: Introduce space radiation environment and the necessity of electronic component

3、s resistance to irradiation. Describe the effects of main factors on the performances of anti radiation. The process of anti radiation process is illustrated in highlights combined with practical engineering applications. And certain of points that should be noted are enumerated for the step of anti

4、 radiation.Key Words: Space radiation; Anti radiation; Electronic componentDocument Code: A Article ID: 1001-3474 (2013 01-0044-03的航天器威脅最大的是位于赤道上空的內(nèi)、外范艾倫 輻射帶,它們主要由高能質(zhì)子(30 MeV 100 MeV 和高能量電子(0.4 MeV 1.0 MeV組成,受輻射 的劑量率可分別達到1 Gy/h和10 Gy/h。 1.1 太陽活動太陽輻射是空間輻射環(huán)境中最活躍和最主要的 因素,太陽活動分為緩變型太陽活動和爆發(fā)型太陽 活動,它們的輻射影響不

5、同。前者主要成分為電子 和質(zhì)子,發(fā)射粒子流的速度為300 km/s900 km/s,后 者主要成分為大量的帶電粒子流和高能射線,發(fā)射 粒子流的速度高達2 000 km/s以上,其能量比前者高 出幾個數(shù)量級。太陽活動周期為11年。如太陽耀斑等爆發(fā)型太 陽活動,其特點是持續(xù)時間短,但是功率極高,一 般高能質(zhì)子對航天電子設(shè)備具有極大的破壞性,因航天電子元器件抗輻照加固工藝Resist-Radiation Hardening Technology on Aerospace Electronic Components孫慧,徐抒巖,孫守紅,張偉SUN Hui; XU Shu-yan; SUN Shou-h

6、ong; ZHANG Wei(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of sciences, Changchun 130033, China作者簡介:孫慧(1983-男,吉林省長春市人,畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué),長春光學(xué)精密機械與物理研究所助研,主要從事航天產(chǎn)品電子 裝聯(lián)工藝技術(shù)研究工作。第 34卷第 1期 45此一直是空間輻射領(lǐng)域的研究重點。1.2 宇宙射線宇宙射線成分為83%的高能粒子,具有極大的貫 穿能力。所以飛行器在外

7、層空間運行所受的輻射是 相當(dāng)嚴(yán)重的,處于地球衛(wèi)星中的航天電子系統(tǒng)每年 所接受到累積輻射劑量可達100 Gy以上,其中暴露于 表面的元器件更高。1.3 范艾倫輻射帶在沒有爆發(fā)型太陽活動時,輻射帶內(nèi)高能粒子的 組成和分布相對穩(wěn)定。當(dāng)爆發(fā)型太陽活動發(fā)生,或行 星際磁場對地球磁場產(chǎn)生擾動時,輻射帶內(nèi)高能粒子 的能譜和通量將會激增、且輻射帶更靠近地球,從而 導(dǎo)致地球衛(wèi)星,甚至地面電氣設(shè)備的故障。目前主要關(guān)注低軌道環(huán)境(即軌道高度100 km 1 000 km,典型輻射劑量是每年0.1 krad,對于壽命 期3年5年飛行器,總輻射劑量小于0.5 krad。在地球 極地軌道,飛行器經(jīng)過離子宇宙線和太陽耀斑等

8、區(qū)域 也會沉積大量的輻射。2 抗輻照加固工藝抗輻照加固工藝幾乎是抗輻照措施的最后一個 環(huán)節(jié),所以此項工藝實施的好壞就顯得十分重要。 整個工藝由多個環(huán)節(jié)組成,如圖1所示。 圖1抗輻照加固工藝流程2.1 PCB設(shè)計準(zhǔn)備由于抗輻照加固是對元器件的二次加工,常規(guī) 的PCB設(shè)計往往不能滿足裝聯(lián)需求,為提高抗輻照 加固的可靠性,需要在PCB設(shè)計階段提供適當(dāng)?shù)谋?證措施。PCB設(shè)計在元器件抗輻照加固中起著關(guān)鍵性的 作用,一個好的PCB設(shè)計不僅要保證電氣連接的正確 性,還要考慮電子裝聯(lián)和機械振動的可靠性。具體 要求如下:(1由于元器件進行加固處理后,本體質(zhì)量會 大幅增加,所以在線路板設(shè)計過程中,要將待抗輻 照

9、加固元器件以超重器件來看待,在元器件布局過 程中要充分加以考慮(布局要盡可能靠近邊框或加 強筋等,避免在后續(xù)力學(xué)試驗中出現(xiàn)問題。 (2焊盤設(shè)計。元器件質(zhì)量增加,分配到每個 管腳的質(zhì)量也相應(yīng)增加,所以,要確保每個管腳焊點 的可靠性,需對焊盤進行特殊考慮:(a雙列直插 器件,金屬化孔需大于元器件管腳0.2 mm0.4 mm, 焊盤在滿足安全間距的條件下需比常規(guī)推薦焊盤尺寸 大些,外徑為內(nèi)徑的1.5倍2.0倍;(bQFP元 器件,焊盤尺寸需超出管腳尺寸,左右各需大于 0.10 mm,前后各需大于0.75 mm,并且對于沒有電 氣連接定義的焊盤也需引出銅線。 (3封裝設(shè)計。由于元器件抗輻照加固后,封

10、裝尺寸會變大,所以PCB上元器件封裝不能單純依賴 元器件手冊的推薦封裝,需要進行相應(yīng)的放大,以 避免實際安裝過程中元器件間互相干涉;(4元器件抗輻照加固過程中需要對元器件進 行綁扎處理,所以在線路板設(shè)計過程中需在元器件 周邊預(yù)留綁線工藝孔。2.2 抗輻照材料的成型用激光打標(biāo)機或刻字機在成型完成的鉛片上做 好標(biāo)識,包括元器件方向、型號和批次等,此環(huán)節(jié) 較為重要,因為加固后的芯片會被鉛片完全覆蓋, 器件的相關(guān)信息將不再可視,所以標(biāo)識過程要認(rèn)真 核實。用無水乙醇對標(biāo)識完成的鉛片進行清洗,去 掉表面油脂及成型和標(biāo)識環(huán)節(jié)殘留的金屬屑等多余 物,放入烘干箱內(nèi)烘干。將成型完成的鉛片與元器件進行試裝,檢查方

11、向、批次和型號是否一致,檢查成型尺寸是否彎曲 吻合,如圖2所示。圖2成型鉛片的安裝2.3 預(yù)固定適用于雙列直插器件:(1在元器件與鉛片間 用一面積略小于安裝面的雙面膠暫時固定;(2用 耐高溫綁扎線沿元器件橫向或縱向進行至少兩道綁 扎;(3在節(jié)點處點Q98-1硝基膠進行防松固定, 如圖3所示。孫慧,等:航天電子元器件抗輻照加固工藝2013年 1月電子工藝技術(shù)Electronics Process Technology46 圖3雙列直插器件的預(yù)固定 圖4QFP器件的預(yù)固定 圖5綁扎固定適用于QFP等表貼器件:(1用無水乙醇清洗 元器件待粘貼表面,烘干待用;(2在待粘貼鉛片 上均勻涂抹一層厚度為0.

12、1 mm0.2 mm的GD414單 組份室溫硫化硅橡膠(C級;(3將鉛片平放在 平臺上,由元器件向鉛片進行粘貼,稍施加壓力, 允許少量膠液溢出;(4固化24 h后方可使用,如圖4所示。2.4 試裝試裝過程的注意事項:(1檢驗QFP器件的各 個管腳是否有變形,共面性要求小于0.1 mm; (2 檢驗加固后的器件與周圍器件是否有干涉。 2.5 焊接焊接過程的注意事項:(1由于元器件加固 處理后熱容量增加,避免焊接過程溫度過低導(dǎo)致焊 點不良,在焊接前可對元器件及線路板局部進行預(yù) 熱處理;(2雙列直插元器件各管腳透錫率需大于 85%;(3焊接前在QFP器件底部點適量GD414單 組份室溫硫化硅橡膠,以

13、緩解由于加固增加質(zhì)量而 導(dǎo)致的管腳支撐壓力。 2.6 加固利用事先預(yù)留的PCB綁扎工藝孔,選用耐高溫綁 扎線,將焊接完成的元器件與線路板綁扎固定在一 起,節(jié)點處可選用Q98-1硝基膠進行防松處理,如圖5所示。綁扎法的優(yōu)點是操作方便、快捷和熱應(yīng)力較(1針對雙列直插器件可選用GD414單組份室 溫硫化硅橡膠進行局部粘固處理;(2針對QFP等表貼器件可選用QD231硅橡膠 進行局部灌封處理。局部固封法的優(yōu)點是工藝一致性好、操作可 靠、加固牢靠和抗機械振動效果好等,缺點是不便 于返修,有熱應(yīng)力等 3-5。 2.7 檢驗固封完成后,需對加固的元器件進行全面的檢 驗,包括器件標(biāo)識是否清晰、方向是否正確、焊

14、接 是否合格和加固是否牢靠等。3 結(jié)束語鉛片抗輻照加固是一種有效的抗輻照加固方 法,其優(yōu)點是技術(shù)簡單、可操作性強、工作可靠和 使用壽命長等。本文結(jié)合實際工程應(yīng)用,從工藝角度對元器件抗輻照加固進行了詳盡的介紹。為提高 抗輻照性能與可靠性,需要從PCB設(shè)計、成型、焊 接和加固等工藝方面進行綜合的考慮。值得注意的 是,雖然此工藝方法在一定程度上提高了芯片的抗 輻照能力,但是也存在一些缺點,例如增加了元器 件的質(zhì)量,對高能粒子產(chǎn)生的單粒子效應(yīng)屏蔽效果 不佳等。因此,元器件抗輻照加固工藝還有待進一 步進行研究。 參考文獻12345周建濤,蔡偉,武延鵬,等.星敏感器空間輻射效應(yīng)研究J.宇 航學(xué)報,2010,31(1:24-25.李桃生,陳軍,王志強.空間輻射環(huán)境概述J.輻射防護通訊, 2008,28(2:1-8.毛書勤,張偉,李靜秋.印制電路板固封工藝技術(shù)J.電子工藝 技術(shù),2009,20(2:79-81.高華,趙海霞.灌封技術(shù)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用J.電子工藝技 術(shù),2003,24(6:257-259.張偉,孫守紅,孫慧. CCGA器件的可靠性組裝及力學(xué)加固工 藝J.電子工藝技術(shù),2011,32(6:349-352.收稿日期:2012-11-08 航天電子元器件抗輻照加固工藝作者:孫慧 , 徐抒巖 , 孫守紅 , 張偉作者單位:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林長春1300