航天电子元器件抗辐照加固工艺

1、电子工艺技术Electronics Process Technology442013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

2、射带(Van Allen Belt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(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(30 MeV 100 MeV 和高能量电子(0.4 MeV 1.0 MeV组成,受辐射 的剂量率可分别达到1 Gy/h和10 Gy/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

5、同。前者主要成分为电子 和质子,发射粒子流的速度为300 km/s900 km/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2 000 km/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-Radiation Hardening Technology on Aerospace Electronic Components孙慧,徐抒岩,孙守红,张伟SUN Hui; XU Shu-yan; SUN Shou-h

6、ong; ZHANG Wei(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of sciences, Changchun 130033, 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

7、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100 Gy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100 km 1 000 km,典型辐射剂量是每年0.1 krad,对于寿命 期3年5年飞行器,总辐射剂量小于0.5 krad。在地球 极地轨道,飞行器经过离子宇宙线和太阳耀斑等

8、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。 图1抗辐照加固工艺流程2.1 PCB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

9、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0.2 mm0.4 mm, 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;(bQFP元 器件,焊盘尺寸需超出管脚尺寸,左右各需大于 0.10 mm,前后各需大于0.75 mm,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

10、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。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。将成型完成的铅片与元器件进行试装,检查方

11、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Electronics Process Technology46 图3双列直插器件的预固定 图4QFP器件的预固定 图5绑扎固定适用于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.

12、1 mm0.2 mm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24 h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0.1 mm; (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

13、缓解由于加固增加质量而 导致的管脚支撑压力。 2.6 加固利用事先预留的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(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

14、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12345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1300