一种提高器件抗电离辐射总剂量效应的方法

摘要

本发明涉及一种提高器件抗电离辐射总剂量效应的方法，包括以下步骤：1)制作单层结构复合材料：2)制作多层结构复合材料：3)测量电子束在复合材料中的透射系数：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：5)修正电子透射系数；6)采用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。本发明在保证屏蔽效果最好的同时，使封装质量最小，可提高航天器器件抗电离辐射总剂量效应。

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：

本发明制作单层结构复合材料和多层结构复合材料，通过电子束实验，根 据模拟计算与实验测量结果的比较，反复修正计算模型，计算出不同能量电子 束入射复合材料的电子透射系数，从而确定屏蔽性能最优的复合材料。再根据 所确定的复合材料，对器件的相应芯片进行二次封装，从而提高器件抗电离辐 射总剂量效应。

本发明在保证屏蔽效果最好的同时，使封装质量最小，可提高航天器器件 抗电离辐射总剂量效应。

附图说明

图1是理论计算模型示意图；

图2是铝材料不同能量沉积剖面；

图3是钨材料不同能量沉积剖面；

图4是电子透射系数测量试验装置示意图；

图5是金属Al理论计算结果与测量结果的比较；

图6是金属Ta理论计算结果与测量结果的比较；

图7是Kovar材料理论计算结果与测量结果的比较；

图8是复合材料不同能量沉积剖面。

具体实施方式

本发明方法的过程：

1、采用蒙特卡洛粒子输运方法模拟计算单一材料的透射系数

理论模拟计算采用蒙特卡洛粒子输运方法。用ITS系列程序的二维TIGERP 模拟计算。针对上述辐照条件对几种典型材料建立理论计算模型，每次计算跟 踪20万个粒子。在计算中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。计算过程充分地考虑了光子－电子的耦合过程，对电子引 起的次级事件考虑了轫致光子、原子电离产生撞击电子及正负电子对的湮没。 对原子、电子弛豫过程考虑了K、L、M壳层之间的各种弛豫过程产生的相应 的电子、光子及其输运，光子输运考虑了光电吸收、相干散射、非相干散射等 作用。

电子在输运过程中发生轫致辐射，产生光子。光子还可能产生次级电子， 所以这是光子和电子耦合输运过程。对源粒子抽样，抽取源粒子的空间位置、 方向、能量、权重，确定初始状态(ｒ、Ω、E、W)，用强迫碰撞技术抽样自由 程距离ｌ，新碰撞位置r′＝r+lΩ，在r′处确定粒子与哪一种物质的哪一种原子 发生何类反应，由入射方向Ω、能量E和微分截面抽样出出射方向Ω′和出射 能量Ｅ'，光子在输运过程中与核相互作用，会产生次级电子.同样，电子在输 运过程中会产生次级光子。对此，采取了先电子后光子的模拟原则，即当光子 (包括源光子与次级光子)产生了次级电子时，先将原级光子存入光子库中，立 即跟踪次级电子，当电子产生次级光子时，先将次级光子存入光子库，继续跟 踪原级电子。对任一条分支都按此原则处理。当一个电子分支的历史结束后， 首先清查电子库，若有库存电子时，便按后存入先取出的原则取出库内电子进 行模拟。在库内电子跟踪完毕后，再清点光子库，若有库存光子，同样进行。 此时有可能产生电子，必须把光子存起来，跟踪电子。直到光子库无光子，再 重新开始一个历史。直到全部粒子跟踪完毕。

电子为带电粒子，它由于受到库仑力作用，在介质中发生多次碰撞。比如 一个电子由0.5MeV减速到0.25MeV时，在铝中所走的路程中大约需要碰撞 2.9×10⁴次，而对γ光子只要它经过20～30次康普顿散射就会从几MeV降到 50keV；因此，一个电子的Monte－Carlo历史比γ光子的计算量要大上千倍。 为了减少计算量，必须把带电粒子的历史进行合理的压缩，为此我们采取了 Berger压缩历史方法。其基本思想就是把真实的物理上的随机游动划分为若干 步，每一步包括大量的真实碰撞，也就是说把若干次真实碰撞合并为一次碰撞 来处理。每一步的能量和飞行方向的转移概率由多次散射理论给出。常用的有 Moliere多次散射理论和Goudmsit-Saudon多次散射理论。我们用这两种理论都 对电子进行了模拟，Moliere较Goudsmit-Saudon理论计算简单，但对低能电子 和高原子序数的元素，Moliere是不精确的，为保证理论计算结果的精度，我 们采用Goudsmit-Saudon理论。

计算模型如图1所示：设定能量的平面电子源垂直入射至不同种类、厚度的 平板材料。程序跟踪入射电子与材料的相互作用过程以及产生的透射电子、散 射电子、次级电子和光子。在材料下平面设一统计平面，统计穿出材料下平面 的电子和光子数。入射电子数统一设为I₀＝10⁸个电子，材料下平面透射出的电子 数为IT，则电子透射系数T＝I_T/I₀＝I_T×10^-8。同时还可以计算、统计材料下表面出 射的光子数，电子与屏蔽材料的原子核相互作用，产生轫致辐射光子。同时， 材料原子被电离、跃迁时辐射光子。统计出射光子，给出光子数与材料厚度的 关系。给出的光子数用入射电子数I₀＝10⁸归一，给出每入射一个电子在材料出射 面所产生的光子数P。

空间轨道辐射环境电子谱的能量范围在0.4～7MeV，我们计算了能量点分 别为1、2、2.5、3、3.5、4MeV对铝、钨的剂量深度分布曲线。2MeV以上能 量电子铝材料厚为3mm各层沉积能量很小且趋于一致，屏蔽效果较差，如图 2所示；高原子序数材料钨存在能量沉积峰值，不同能量的电子束对应的峰值 也不同，见图3。

2、测量电子束在单一材料中的透射系数

在西北核技术研究所ELV－8型电子加速器(最高加速电压2MV，最大输 出电流40mA)上对Al、Ta、及Kovar材料进行辐照，辐照方式采用静态加速 器自动控制剂量，辐照累积剂量为1×10⁷rad(Si)。根据要求确定辐照电子的能 量为1.5MeV，加速器稳定输出束流0.3mA，取辐照参数为85mA·S。将所有被 辐照材料放置在电子引出窗正下方20厘米处的吸热靶上，采用FWT-60蓝色 赛洛芬辐射显色薄膜测量电子剂量，在每层材料前、后各置三个薄膜，辐射后 采用分光光度计测量其光吸收谱数据，得到每个剂量片的吸收剂量，最终得到 材料的透射系数。电子束在不同材料中透射系数的测量方法如图4所示。

3、计算出不同能量电子束入射单层复合材料的电子透射系数

将步骤1的计算结果与步骤2的测量结果进行比较，结果见图5、图6和 图7。可以看出，理论与实验数据符合很好。可以看出，高Z材料，如Ta，对 电子有很好的屏蔽作用，对能量为1.5MeV电子，厚度0.2mm，可以衰减一个 数量级，而Al材料需要2mm。因此，无论从体积还是重量考虑，都应该采用 高

Z材料。高Z材料，如钨、钽是最好的屏蔽初级电子的材料，但从实用性 设计考虑，这些材料都是导体，不利于对特殊结构器件进行包封。复合材料既 到达了屏蔽的效果，又可以绝缘，可以直接对器件进行封装。

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 量电子束入射复合材料的剂量深度分布曲线，计算结果表明复合材料也达到了 较好的屏蔽效果，见图8。

4、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，经模压成形为所需的 各种复合材料。在制作过程中，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，金属粉末为Al、Ta或Kovar(可伐合金)，其含量范围为树脂重 量的0.1％-0.8％。

5、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，双 层结构的组合为Al/Ta组合，三明治结构的组合为Al/Ta/Kovar组合。由于各种 复合材料的面密度相同，在制作多层结构复合材料时，各层的厚度平均分配。

6、测量电子束在复合材料中的透射系数

在西北核技术研究所ELV－8型电子加速器(最高加速电压2MV，最大输出 电流40mA)上对单层、双层、及三明治结构的复合材料进行辐照，辐照方式采 用静态加速器自动控制剂量，辐照累积剂量为1×10⁷rad(Si)。根据要求确定辐照 电子的能量为1.5MeV，加速器稳定输出束流0.3mA，取辐照参数为85mA·S。 将所有被辐照材料放置在电子引出窗正下方20厘米处的吸热靶上，采用FWT-60 蓝色赛洛芬辐射显色薄膜测量电子剂量，在每层材料前、后各置三个薄膜，辐 射后采用分光光度计测量其光吸收谱数据，得到每个剂量片的吸收剂量，最终 得到材料的透射系数。

7、比较单层结构复合材料和多层结构复合材料的试验结果，确定屏蔽 效果最好的复合结构，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。