芯片封装抗辐照技术研究

来历：芯片封装。总述。

航天器在太空执役时，因为无大气层维护使电子器材直接收到太空环境中的太空辐射和高能粒子冲击，然后引发各种辐射效应，导致器材作业反常。依据数据计算,国内外产生的航天事端约 40%是由空间辐射引发。因而，运用航天器材前,对其进行专门的抗辐射加固处理十分必要。规划加固、工艺加固和封装加固是三种典型的抗辐射加固途径。规划加固和工艺加固是芯片被辐射后采纳的应对办法，皆在消除辐射效应的影响。而封装加固经过屏蔽空间辐射的办法，防止芯片遭到直接辐射。

本期凭借李靖旸先生与赵鹤然先生的总述文章：《封装抗辐射加固技能研讨》，共享运用封装改善完结的芯片抗辐照技能。

一、空间辐射与辐射效应。

（1）空间辐射环境。

空间辐射环境中存在着很多的粒子，其间包含电子、中子、质子、光子以及各种重离子。在地球轨迹邻近的空间辐射粒子,其首要来历有太阳世界射线、银河世界射线和地球辐射带。

（2）辐射效应。

辐射效应,是辐射粒子与器材相互效果而引发的器材电功用退化。辐射粒子对太空卫星及航天器的电子体系所构成的损害首要包含总剂量效应、单粒子效应、瞬时剂量率效应及中子效应。

总剂量效应：归于堆集效应，是辐射引起的氧化物中的电荷累积。其间，氧化物包含阻隔氧化层、栅氧化层和绝缘埋层。当电离辐射效果于器材时，会在这些氧化层中产生电子空穴对，少部分会很快复合移走，而未复合的会然后产生正电荷和界面态电荷，将对器材产生晦气影响。电荷长时间堆集会导致内部漏电流添加，运算放大器。输入失调变大，构成资料内部损害、功用漂移，终究令器材永久损坏。

单粒子效应：作为一种瞬态效应，其产生机理是世界中的高能粒子入射到。半导体。器材中后产生电子空穴对，这些空穴对会引发电路逻辑状况翻转，或许还会产生门锁。情况严重的将呈现永久损害，乃至导致电路焚毁。

瞬时剂量率效应：该效应的产生通常是在一些特定情况下，如核爆炸产生很多高能射线，在短时间内沉积在半导体器材内，电离出很多的电子空穴对，引发器材内部产生较大的瞬时。光电。流。这种瞬时光电流会引发器材作业产生毛病，例如呈现门锁、逻辑紊乱等。

中子辐射效应：中子不带电，但穿透才干极强，假如入射中子的能量满足大，可使晶格内很多的原子产生位移，构成大的缺陷群。在半导体资料内，这些缺陷群在原子的禁带内部引进附加能级，令少量载流子与大都载流子的复合率添加，导致少量载流子寿数削减，然后影响到器材的电学功用。

二、封装抗辐照技能研讨。

在封装进程进行结构加固使其具有必定抗辐照才干是封装抗辐照技能的首要手法，首要包含金属层屏蔽、薄膜屏蔽、陶瓷资料屏蔽、包封资料屏蔽和塑封资料屏蔽等办法。

1.金属层屏蔽。

20世纪70年代，重金属做屏蔽层的封装级屏蔽办法在半导体器材中开端很多选用。

（1）美国 Maxwell 公司的 D.GMillward 和 D.J. Strobel 规划了一种名为 Rad-Pak的 IC 封装结构，如下图所示，将高Z屏蔽金属钨层规划到封装结构中，上下选用阶梯状的屏蔽板，总剂量到达 100 krad(Si)。

（2）俄罗斯的 JSC。 TE。STPRIBOR 规划了专用的带有钨铜合金(85%W和15%Cu)屏蔽盖的100引脚和144引脚陶瓷封装，用于太空抗辐射,如下图所示。顶盖和底盖的厚度均为 1.2 毫米，100 引线封装顶盖上有 8个孔，最上端为可伐盖板，厚度 0.25 毫米。

（3）奥肯思北京科技有限公司公开了一种实用新式专利(CN 206558498 U),为一种依据抗辐照加固的芯片封装体，在芯片封装体中规划并装置上下抗辐照加固资料，厚度为 0.3~2mm 的钽片，用于抵御来自芯片上下方的外太空高能辐射。

（4）我国航天科技集团公司第九研讨院第七七一研讨所创造晰一种高密度体系集成计算机模块抗辐照封装结构(CN 202495444 U )，选用多层资料复合的上盖板和底板，叠层钎焊钨铜板与可伐结构和盖板，得到高Z值资料和低Z值资料的叠层封装结构，构成IC芯片与空间辐射环境的屏蔽和物理阻隔，有用屏蔽辐射。

金属层屏蔽的缺陷在于添加了器材的厚度和分量，且屏蔽层与管芯相距较远，器材侧向可仍会遭到辐射。

2.薄膜屏蔽。

跟着膜资料技能的开展,人们发现了具有辐射反抗效果的薄膜,只是需求几十个微米厚度,就可以有用下降辐射剂量。

（1）1987 年,日本专利 62-125651 论述了一种名为spotshielding 的抗辐照屏蔽办法。该办法是将一种双层屏蔽膜别离贴在已封装的半导体器材的上、下外表。双层屏蔽膜中的一层首要为高Z资料,另一层首要为低Z资料。

（2）上海航天设备制作总厂创造晰一种电子器材抗辐射加固封装结构(CN 103456719A),包含含铅双马来酞亚胺基体、轻金属薄膜和重金属薄膜。轻金属薄膜的原料是铝，厚度为 10μm 或许 50 μm；重金属薄膜的原料是钨，厚度为 20μm，可完结均匀抗辐射总剂量大于 100 krad(si)，抗辐射效果杰出。

薄膜屏蔽在必定程度上进步了芯片的抗辐照才干，相对金属片，增重和增厚明显下降，但仍存在缺陷：榜首，器材旁边面同样会遭到辐射，没有完结全方向屏蔽；第二，屏蔽膜可以有用屏蔽电磁搅扰辐射，对高能粒子产生的单粒子效应屏蔽效果欠安；第三，宇航级电子器材有必要接受太空飞行时加速度产生的较大应力，双层膜简单产生撕裂或翘起。

3.陶瓷资料屏蔽。

高温共烧陶瓷工艺（HTCC）使用于抗辐照屏蔽的最大亮点在于该工艺可以将钨浆料和生瓷带共烧成具有屏蔽功用的多层陶瓷板。屏蔽功用和钨铜适当,但密度较小,可以有用减轻产品的全体分量。

（1）我国电子科技集团公司第十三研讨所创造晰一种可以增强辐照屏蔽的陶瓷外壳(CN 102361023B)，包含由五层氧化铝陶瓷层构成的陶瓷外壳本体，在其上下外表各添加一层氧化铝陶瓷层，在各个氧化铝陶瓷层的上外表设有选用金属化浆料印刷的起布线效果的线条和起辐照屏蔽效果的图形。比较惯例陶瓷外壳，运用此种规划，对空间电离总剂量的辐照屏蔽效果被进步了10倍以上。

（2）2005 年，法国 3D PLUS 公司研制出一种名为WALOP。AC。K的抗辐照封装结构，选用抗辐照高温共烧陶瓷外壳，如下图所示。其选用 HTCC 工艺将多层钨浆料和氧化铝陶瓷制作成陶瓷板，再以该陶瓷板构成密闭封装腔体。3D PLUS 公司现已选用这种结构封装了16 Mb S。RAM。器材和8Mb EEP。ROM。器材，完结了 3D 抗辐射屏蔽，可接受的电离总剂量(。TI。D)到达 200 krad(Si)。

HTCC 封装的半导体器材可以完结3D全方位屏蔽,拼装工艺也简单易行,缺陷在于需求针对不同类型尺度的芯片、不同的拼装工艺定制不同的专用陶瓷外壳和盖板。

4.包封资料屏蔽。

运用具有屏蔽功用的胶体将芯片包封起来,也可到达屏蔽效果,完结抗辐照。这种屏蔽胶是将屏蔽粉料以很高的密度填充在树脂中，再添加调节剂操控胶体黏度。

（1）James w. Sloan 等人公开了一种这一类的维护。集成电路。管芯的办法。封装前，将液态聚酰胺前体化合物沉积在管芯的有源外表上，待初始沉积物固化后，即可在其顶部上层叠相同资料的其他沉积物，然后添加维护资料的厚度。满足厚的聚酰胺涂层可为封装供给α粒子防护。这一办法的缺陷是用于包容聚酰胺层的空间十分有限,所供给用来维护芯片免受辐射所需的维护资料的厚度或许缺乏。

（2）Michael Featherby 等人创造晰一种屏蔽胶(US6455864 B1),将屏蔽颗粒涣散在粘接剂中四。其首要成含有钨粉，环氧混料和其他补充剂。使用于封装屏蔽的结构如下图所示。这种屏蔽具有高效、经济的长处，其运用办法灵敏，可选用模塑、填充、喷涂、包覆等，不只可以用于封装抗辐射，还可作为人类太空防辐射涂料使人体免受辐射影响。

选用芯片包封办法进行抗辐照屏蔽的难点在于制备高功用的屏蔽胶体。高填充密度的胶体与裸芯片触摸时，其间的金属颗粒或许触摸到键合丝或许基板的外表走线，接近颗粒间若产生触摸就有或许具有导电性并导致短路。只要运用绝缘强度很高的树脂结合剂将金属颗粒彻底滋润并使其一直处于悬浮状况，才干防止短路产生。

5.塑封资料屏蔽。

（1）Joseph J. Dlugokecki 等创造晰塑料封装重构办法(US5406117A)。该办法将屏蔽资料嵌入拼装前的塑料封装体用来供给辐射屏蔽，屏蔽结构如下图所示。选用。机械。研磨法将塑封后的芯片顶部底部的包封料去除，之后贴装屏蔽资料，最后用附加的包封资料完结密封。

大部分惯例塑封器材都可选用这种办法进行重构，重构后的塑封器材外形尺度改变不大，不影响外表贴装工艺。其缺陷是研磨工艺杂乱，简单损坏器材内部键合引线，重构后器材厚度略有添加。别的，附加的包封资料需求与原包封料相匹配，一起需具有较强的反抗水汽浸透的才干。

（2）David J. Strobel 等人创造的塑料封装重构办法(US5889316)，结构愈加简化。它是经过供给一种新的和改善的工艺来完结的，结构如下图所示。经过该工艺，有挑选地除掉构成集成电路的塑料体封装的塑料并用具有特定配方的辐射屏蔽资料替代，即可以依据空间使用需求，定制屏蔽资料。

三、封装抗辐照技能展望。

尽管各国科研作业者长时间致力于封装加固技能的研讨，可是现在在技能层面仍面对许多应战。关于“寸土寸金”的航天使用来说，增重是不得不考虑的关键问题之一。针对这方面问题，未来研讨的要点，首要或许会集在以下几个方面:。

（1）进步器材有用屏蔽面积比率。封装加固维护的对象是芯片，可是实践投入的屏蔽资料的面积往往是芯片的数倍之多。因而，封装规划师要尽量削减封装屏蔽的尺度，然后削减器材的增重。

（2）进步相同质量密度下资料的抗辐射功用。高、低原子序数的金属资料在屏蔽中发挥着不同的效果，新式高分子资料也是研讨的抢手，怎么发挥各资料的特色，制备高功用复合抗辐射资料，是进步相同质量密度下资料的抗辐射功用的重要途径。

（3）开发高功用新资料。近年来，高分子资料、纳米资料等新式资料技能的逐步老练，为辐射屏蔽注入了新的生机，研讨新式高功用资料的屏蔽机理对辅导封装加固的实践作业有重要意义。

除了增重问题，长时间执役可靠性仍然是空间使用中的基本要求。不论是一体化屏蔽封装,仍是后期涂覆、制备的抗辐射涂层,都应经过元器材的环境测验,屏蔽资料不损坏、掉落,屏蔽功用不退化。

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