一種提高器件抗電離輻射總劑量效應的方法
2023-06-05 04:34:01 3
一種提高器件抗電離輻射總劑量效應的方法
【專利摘要】本發明涉及一種提高器件抗電離輻射總劑量效應的方法，包括以下步驟：1)製作單層結構複合材料：2)製作多層結構複合材料：3)測量電子束在複合材料中的透射係數：4)採用蒙特卡洛粒子輸運方法模擬計算材料的理論透射係數：5)修正電子透射係數；6)採用屏蔽效果最好的複合材料，在器件的相應晶片處進行二次封裝。本發明在保證屏蔽效果最好的同時，使封裝質量最小，可提高太空飛行器器件抗電離輻射總劑量效應。
【專利說明】一種提高器件抗電離輻射總劑量效應的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬於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】
[0002]空間輻射環境主要包括宇宙射線、範艾倫輻射帶(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。對於圍繞地球運行的太空飛行器威脅最大的是位於赤道上空的內、外範艾倫輻射帶，它們主要由高能質子(10?IOOMeV)和高能量電子(0.4?7MeV)所組成，受輻射的劑量率可分別達到IGy (Si)/h及數十Gy(Si)/h。對於LE0(Low Earth Orbit),福射劑量包括俘獲帶的電子和質子,而對於地球同步軌道,劑量主要是電子的貢獻。
[0003]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採用屏蔽防護，首先要考慮衛星殼體、系統盒體等其它部件的衰減，然後根據軌道和飛行任務時間計算要求的器件封裝屏蔽厚度。
[0004]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晶片)。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於1.5g/cm2;高Z材料(原子序數高的材料)，對於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射線脈衝，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材料和晶片之間要有足夠厚的低Z封裝材料，材料的厚度一般大於次級光電子的射程，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。
[0005]低/中Z材料對於質子屏蔽較好，但在屏蔽有效性一定時，材料要厚一些，這對於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，質量厚度大於1.5g/cm2時,屏蔽效果最好。
[0006]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、研製出提高器件抗輻射能力的各種工藝封裝方法。資料表明，這些工藝用於LEO和地球同步軌道的衛星的電路，其抗總劑量水平大於IOOkrad(Si)。
【發明內容】
[0007]為提高太空飛行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，其特殊之處在於:包括以下步驟:
[0008]I)製作單層結構複合材料:
[0009]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%,經模壓成形為各種複合材料,所述金屬粉末為Al、Ta或Kovar,其含量範圍為樹脂重量的 0.1% -0.8%,
[0010]2)製作多層結構複合材料:
[0011]將單層結構複合材料進行組合，製作成雙層和三明治結構的複合材料，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；
[0012]3)測量電子束在複合材料中的透射係數:
[0013]電子加速器產生的電子束穿過雙層和三明治結構的複合材料後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後送入束流積分儀，從而得到該複合材料的測量透射係數；
[0014]4)採用蒙特卡洛粒子輸運方法模擬計算材料的理論透射係數:
[0015]採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，採取先電子後光子的模擬原則，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；
[0016]5)根據模擬計算與試驗測量結果的比較，反覆修正計算模型，計算出不同能量電子束入射單層結構複合材料以及雙層和三明治結構複合材料的電子透射係數；
[0017]6)比較單層結構複合材料和多層結構複合材料的電子透射係數，確定屏蔽效果最好的複合材料，在器件的相應晶片處進行二次封裝，即可提高器件抗電離輻射總劑量效應。
[0018]在步驟I的複合材料製作過程中，調整各種金屬粉末的含量以保證各種複合材料的面密度相同；
[0019]在步驟2中，雙層和三明治結構的複合材料的各層厚度平均分配。
[0020]上述步驟4採用蒙特卡洛粒子輸運方法模擬計算時，具體採取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。
[0021]本發明有益效果:
[0022]本發明製作單層結構複合材料和多層結構複合材料，通過電子束實驗，根據模擬計算與實驗測量結果的比較，反覆修正計算模型，計算出不同能量電子束入射複合材料的電子透射係數，從而確定屏蔽性能最優的複合材料。再根據所確定的複合材料，對器件的相應晶片進行二次封裝，從而提高器件抗電離輻射總劑量效應。
[0023]本發明在保證屏蔽效果最好的同時，使封裝質量最小，可提高太空飛行器器件抗電離輻射總劑量效應。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1是理論計算模型示意圖；
[0025]圖2是鋁材料不同能量沉積剖面；
[0026]圖3是鎢材料不同能量沉積剖面；
[0027]圖4是電子透射係數測量試驗裝置示意圖；
[0028]圖5是金屬Al理論計算結果與測量結果的比較；
[0029]圖6是金屬Ta理論計算結果與測量結果的比較；
[0030]圖7是Kovar材料理論計算結果與測量結果的比較；
[0031 ]圖8是複合材料不同能量沉積剖面。【具體實施方式】
[0032]本發明方法的過程:
[0033]1、採用蒙特卡洛粒子輸運方法模擬計算單一材料的透射係數
[0034]理論模擬計算採用蒙特卡洛粒子輸運方法。用ITS系列程序的二維TIGERP模擬計算。針對上述輻照條件對幾種典型材料建立理論計算模型，每次計算跟蹤20萬個粒子。在計算中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。計算過程充分地考慮了光子一電子的耦合過程，對電子引起的次級事件考慮了軔致光子、原子電離產生撞擊電子及正負電子對的湮沒。對原子、電子弛豫過程考慮了 K、L、M殼層之間的各種弛豫過程產生的相應的電子、光子及其輸運，光子輸運考慮了光電吸收、相干散射、非相干散射等作用。
[0035]電子在輸運過程中發生軔致輻射，產生光子。光子還可能產生次級電子，所以這是光子和電子耦合輸運過程。對源粒子抽樣，抽取源粒子的空間位置、方向、能量、權重，確定初始狀態(r、Ω、E、W)，用強迫碰撞技術抽樣自由程距離I，新碰撞位置^ = r+Ι Ω，在
處確定粒子與哪一種物質的哪一種原子發生何類反應，由入射方向Ω、能量E和微分截面抽樣出出射方向Ω,和出射能量E 』，光子在輸運過程中與核相互作用，會產生次級電子.同樣，電子在輸運過程中會產生次級光子。對此，採取了先電子後光子的模擬原則，即當光子(包括源光子與次級光子)產生了次級電子時，先將原級光子存入光子庫中，立即跟蹤次級電子，當電子產生次級光子時，先將次級光子存入光子庫，繼續跟蹤原級電子。對任一條分支都按此原則處理。當一個電子分支的歷史結束後，首先清查電子庫，若有庫存電子時，便按後存入先取出的原則取出庫內電子進行模擬。在庫內電子跟蹤完畢後，再清點光子庫，若有庫存光子，同樣進行。此時有可能產生電子，必須把光子存起來，跟蹤電子。直到光子庫無光子，再重新開始一個歷史。直到全部粒子跟蹤完畢。
[0036]電子為帶電粒子，它由於受到庫侖力作用，在介質中發生多次碰撞。比如一個電子由0.5MeV減速到0.25MeV時，在鋁中所走的路程中大約需要碰撞2.9 X IO4次，而對Y光子只要它經過20~30次康普頓散射就會從幾MeV降到50keV ;因此，一個電子的Monte —Carlo歷史比Y光子的計算量要大上千倍。為了減少計算量，必須把帶電粒子的歷史進行合理的壓縮，為此我們採取了 Berger壓縮歷史方法。其基本思想就是把真實的物理上的隨機遊動劃分為若干步，每一步包括大量的真實碰撞，也就是說把若干次真實碰撞合併為一次碰撞來處理。每一步的能量和飛行方向的轉移概率由多次散射理論給出。常用的有Moliere多次散射理論和Goudmsit-Saudon多次散射理論。我們用這兩種理論都對電子進行了模擬，Moliere較Goudsmit-Saudon理論計算簡單,但對低能電子和高原子序數的元素，Moliere是不精確的，為保證理論計算結果的精度,我們採用Goudsmit-Saudon理論。
[0037]計算模型如圖1所示:設定能量的平面電子源垂直入射至不同種類、厚度的平板材料。程序跟蹤入射電子與材料的相互作用過程以及產生的透射電子、散射電子、次級電子和光子。在材料下平面設一統計平面，統計穿出材料下平面的電子和光子數。入射電子數統一設為Itl = IO8個電子，材料下平面透射出的電子數為IT，則電子透射係數T = ItAci =ItX 10Λ同時還可以計算、統計材料下表面出射的光子數，電子與屏蔽材料的原子核相互作用，產生軔致輻射光子。同時，材料原子被電離、躍遷時輻射光子。統計出射光子，給出光子數與材料厚度的關係。給出的光子數用入射電子數Itl= IO8歸一，給出每入射一個電子在材料出射面所產生的光子數P。
[0038]空間軌道輻射環境電子譜的能量範圍在0.4~7MeV，我們計算了能量點分別為1、2,2.5、3、3.5、4MeV對鋁、鎢的劑量深度分布曲線。2MeV以上能量電子鋁材料厚為3mm各層沉積能量很小且趨於一致，屏蔽效果較差，如圖2所示；高原子序數材料鎢存在能量沉積峰值，不同能量的電子束對應的峰值也不同，見圖3。
[0039]2、測量電子束在單一材料中的透射係數
[0040]在西北核技術研究所ELV - 8型電子加速器(最高加速電壓2MV，最大輸出電流40mA)上對Al、Ta、及Kovar材料進行輻照，輻照方式採用靜態加速器自動控制劑量，輻照累積劑量為lX107rad(Si)。根據要求確定輻照電子的能量為1.5MeV，加速器穩定輸出束流
0.3mA，取輻照參數為85mA *S。將所有被輻照材料放置在電子引出窗正下方20釐米處的吸熱靶上，採用FWT-60藍色賽洛芬輻射顯色薄膜測量電子劑量，在每層材料前、後各置三個薄膜，輻射後採用分光光度計測量其光吸收譜數據，得到每個劑量片的吸收劑量，最終得到材料的透射係數。電子束在不同材料中透射係數的測量方法如圖4所示。
[0041]3、計算出不同能量電子束入射單層複合材料的電子透射係數
[0042]將步驟I的計算結果與步驟2的測量結果進行比較，結果見圖5、圖6和圖7。可以看出，理論與實驗數據符合很好。可以看出，高Z材料，如Ta，對電子有很好的屏蔽作用，對能量為1.5MeV電子，厚度0.2mm，可以衰減一個數量級，而Al材料需要2mm。因此，無論從體積還是重量考慮，都應該採用高
[0043]Z材料。高Z材料，如鎢、鉭是最好的屏蔽初級電子的材料，但從實用性設計考慮，這些材料都是導體，不利於對特殊結構器件進行包封。複合材料既到達了屏蔽的效果，又可以絕緣，可以直接對器件進行封裝。
[0044]根據模擬計算與試驗測量結果的比較，反覆修正計算模型，計算出不同能量電子束入射複合材料的劑量深度分布曲線，計算結果表明複合材料也達到了較好的屏蔽效果，見圖8。
[0045]4、製作單層結構複合材料
[0046]選擇不同的金屬粉末添加到含鉛10%的樹脂中固化，經模壓成形為所需的各種複合材料。在製作過程中，調整各種金屬粉末的含量以保證各種複合材料的面密度相同，金屬粉末為Al、Ta或Kovar (可伐合金)，其含量範圍為樹脂重量的0.1% -0.8%。
[0047]5、製作多層結構複合材料
[0048]將單層結構複合材料進行組合，製作成雙層和三明治結構的複合材料，雙層結構的組合為Al/Ta組合，三明治結構的組合為Al/Ta/Kovar組合。由於各種複合材料的面密度相同，在製作多層結構複合材料時，各層的厚度平均分配。
[0049]6、測量電子束在複合材料中的透射係數
[0050]在西北核技術研究所ELV - 8型電子加速器(最高加速電壓2MV，最大輸出電流40mA)上對單層、雙層、及三明治結構的複合材料進行輻照，輻照方式採用靜態加速器自動控制劑量，輻照累積劑量為lX107rad(Si)。根據要求確定輻照電子的能量為1.5MeV，加速器穩定輸出束流0.3mA，取輻照參數為85mA ?S。將所有被輻照材料放置在電子引出窗正下方20釐米處的吸熱靶上，採用FWT-60藍色賽洛芬輻射顯色薄膜測量電子劑量，在每層材料前、後各置三個薄膜，輻射後採用分光光度計測量其光吸收譜數據，得到每個劑量片的吸收劑量，最終得到材料的透射係數。
[0051]7、比較單層結構複合材料和多層結構複合材料的試驗結果，確定屏蔽效果最好的複合結構，在器件的相應晶片處進行二次封裝，即可提高器件抗電離輻射總劑量效應。
【權利要求】
1.一種提高器件抗電離輻射總劑量效應的方法，其特徵在於:包括以下步驟: 1)製作單層結構複合材料: 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%,經模壓成形為各種複合材料,所述金屬粉末為Al、Ta或Kovar,其含量範圍為樹脂重量的 0.1% -0.8%, 2)製作多層結構複合材料: 將單層結構複合材料進行組合，製作成雙層和三明治結構的複合材料，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)測量電子束在複合材料中的透射係數: 電子加速器產生的電子束穿過雙層和三明治結構的複合材料後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後送入束流積分儀，從而得到該複合材料的測量透射係數； 4)採用蒙特卡洛粒子輸運方法模擬計算材料的理論透射係數: 採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，採取先電子後光子的模擬原則，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，反覆修正計算模型，計算出不同能量電子束入射單層結構複合材料以及雙層和三明治結構複合材料的電子透射係數； 6)比較單層結構複合材料和多層結構複合材料的電子透射係數，確定屏蔽效果最好的複合材料，在器件的相應晶片處進行二次封裝，即可提高器件抗電離輻射總劑量效應。
2.根據權利要求1所述的提高器件抗電離輻射總劑量效應的方法，其特徵在於: 在步驟I的複合材料製作過程中，調整各種金屬粉末的含量以保證各種複合材料的面密度相同； 在步驟2中，雙層和三明治結構的複合材料的各層厚度平均分配。
3.根據權利要求1或2所述的提高器件抗電離輻射總劑量效應的方法，其特徵在於: 所述步驟4採用蒙特卡洛粒子輸運方法模擬計算時，具體採取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。
【文檔編號】H01L23/552GK103996673SQ201410220512
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月22日 優先權日:2014年5月22日
【發明者】郭紅霞, 陳偉, 郭 旗, 何承發, 羅尹虹, 文林, 王玲, 張鳳祁, 趙雯, 肖堯 申請人:中國科學院新疆理化技術研究所