許振龍，伍攀峰，李 杰，王明賀

（山東航天電子技術(shù)研究所，煙臺(tái) 264003）

0 引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著各類衛(wèi)星應(yīng)用和任務(wù)的迅速增長，航天器功能日益復(fù)雜，性能也日趨先進(jìn)。在拓展空間應(yīng)用領(lǐng)域的同時(shí)，也對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和載荷電子系統(tǒng)的集成度和小型化提出了更高的要求。高性能、小型化是衛(wèi)星電子系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，從系統(tǒng)集成的角度出發(fā)，主要有2 種方式實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)小型化——系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）和系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）。SiP 是將多個(gè)具有不同功能的有源器件與無源元件組裝成為可以提供多種功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件，構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)或者子系統(tǒng)的微小型化電路類產(chǎn)品；SoC 又稱“片上系統(tǒng)”，是將中央處理器（CPU）、模擬IP 核、數(shù)字IP 核和存儲(chǔ)器（或片外存儲(chǔ)控制接口）集成在單一芯片上形成的系統(tǒng)或標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。與SiP 技術(shù)相比，SoC 技術(shù)成本高、可定制性差、研制周期較長，不利于快速迭代。SiP 技術(shù)作為系統(tǒng)微型化趨勢(shì)下的重要先進(jìn)封裝技術(shù)，是微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，也是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星電子系統(tǒng)小型化、多功能、低成本的重要途徑。

航天應(yīng)用的微系統(tǒng)需要考慮空間輻射效應(yīng)的影響。空間輻射效應(yīng)對(duì)航天器的影響主要表現(xiàn)在總劑量（TID）效應(yīng)和單粒子效應(yīng)（SEE）。其中總劑量輻射效應(yīng)是指金屬?氧化物?半導(dǎo)體（MOS）器件持續(xù)受到電離輻射（如高能帶電粒子、X 射線、γ 射線等）時(shí)，輻射劑量不斷累積導(dǎo)致器件參數(shù)漂移或者性能衰退，乃至器件完全失效的現(xiàn)象。

目前，星載應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要基于抗輻射器件研制，但是抗輻射器件工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長、批量小、成本較高。因此，采用高性能商用貨架產(chǎn)品（COTS）來平衡性能和成本，并進(jìn)行抗輻射加固作為一種可行的解決方案被提出。

本文針對(duì)地球同步軌道空間任務(wù)對(duì)電子系統(tǒng)高性能、小型化的需求，對(duì)一種基于高性能COTS器件的SiP 微系統(tǒng)的抗總劑量效應(yīng)加固方案進(jìn)行研究；為驗(yàn)證該微系統(tǒng)是否可以滿足空間環(huán)境應(yīng)用需要，采用模型分析與地面試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)其在GEO 輻射環(huán)境下的抗總劑量效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估。

1 SiP 微系統(tǒng)抗總劑量輻射加固設(shè)計(jì)

1.1 基于COTS 器件的SiP 微系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研究的SiP 微系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。整個(gè)微系統(tǒng)以國產(chǎn)多核DSP 和FPGA 為計(jì)算核心，實(shí)現(xiàn)通用化數(shù)據(jù)處理功能。對(duì)外通信總線包括Rapid I/O 和RS422 總線各2 路；16 路A/D 輸入，4 路D/A輸出。

圖1 SiP 微系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the SiP micro-system

為實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的高功能密度集成，采用先進(jìn)立體雙腔封裝工藝進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)封裝?？紤]到空間散熱需求，微系統(tǒng)采用陶瓷外殼封裝，元器件裸片平鋪在上下雙腔的陶瓷基板上，如圖2 所示。

圖2 SiP 微系統(tǒng)上腔（左）和下腔（右）三維結(jié)構(gòu)Fig.2 Three dimensional structure of upper cavity(left) and lower cavity(right) of the SiP micro-system

1.2 SiP 微系統(tǒng)抗總劑量加固方案設(shè)計(jì)

采信相關(guān)輻射數(shù)據(jù)庫已有數(shù)據(jù)，本文研究的SiP 微系統(tǒng)的內(nèi)部核心器件中，除DSP 外，其余器件的抗總劑量指標(biāo)均超過100krad(Si)。DSP 采用了高性能COTS 器件，未采取抗輻射設(shè)計(jì)，屬于總劑量效應(yīng)薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行總劑量效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)。根據(jù)工程任務(wù)需要，該SiP 微系統(tǒng)須滿足在電離總劑量150krad(Si)條件下樣機(jī)功能性能指標(biāo)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

對(duì)于SiP 微系統(tǒng)的總劑量效應(yīng)，在已經(jīng)確定器件選型前提下，防護(hù)設(shè)計(jì)主要通過基于系統(tǒng)級(jí)封裝的方法實(shí)現(xiàn)，充分利用微系統(tǒng)自身具有輻射屏蔽作用的零部件或者材料，對(duì)微系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行輻射屏蔽。

本文對(duì)所研究的SiP 微系統(tǒng)的抗總劑量加固方案設(shè)計(jì)為：采用陶瓷外殼封裝，上下腔采用金屬臺(tái)階蓋板進(jìn)行平行封焊。整個(gè)微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上合金蓋板、裸芯片、陶瓷基板、下合金蓋板及金屬管腳等組成。微系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及在設(shè)備中安裝情況如圖3 所示。上下雙腔的合金蓋板在實(shí)際環(huán)境中可以起到屏蔽總劑量輻射的作用。

圖3 基于SiP 微系統(tǒng)的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)示意Fig.3Schematic diagram of internal structure of electronic equipmentbasedonSiPmicro-system

在進(jìn)行總劑量輻射屏蔽分析與設(shè)計(jì)時(shí)，需要將屏蔽效能轉(zhuǎn)化為等效鋁材料厚度。一般采用以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即

式中：為材料的等效鋁厚度，mm；為材料的質(zhì)量面密度，g/cm；為材料大面積部分的質(zhì)量（扣除材料中質(zhì)量過度集中部分的質(zhì)量，對(duì)于蓋板而言，質(zhì)量分布均勻，無質(zhì)量過度集中部分），g；為材料的實(shí)際面積（需要扣除材料中挖空部分的面積，對(duì)于蓋板而言，整個(gè)平面連續(xù)無開孔），cm。

SiP 微系統(tǒng)封裝常用合金蓋板材料特性如表1所示。

表1 SiP 微系統(tǒng)封裝常用合金蓋板材料特性Table 1 Properties of alloy cover met al materials commonly used in SiP microsystem packaging

由式(1)可知，蓋板的總劑量屏蔽等效鋁厚度與材料的質(zhì)量面密度成正比；設(shè)定合金蓋板厚度為，材料密度為，則蓋板材料的質(zhì)量面密度=×。因此在蓋板厚度相同的情況下，應(yīng)該選擇比重較大的4J34 或4J29 材料生產(chǎn)蓋板；另外，本文研究的SiP 微系統(tǒng)整體功耗超過5W，空間應(yīng)用時(shí)主要通過蓋板進(jìn)行傳導(dǎo)散熱，蓋板需要選擇導(dǎo)熱良好的材料，因此應(yīng)該優(yōu)先選擇熱導(dǎo)率較大的4J34 或4J29 材料；同時(shí)，考慮蓋板實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要良好接地，因此應(yīng)該選擇電阻率最小的4J34 材料。經(jīng)過綜合評(píng)估，本文選擇鐵鎳鈷合金4J34 作為蓋板材質(zhì)。為了提高屏蔽效果，將合金蓋板適當(dāng)加厚，設(shè)定厚度為0.05cm，則該SiP 微系統(tǒng)的合金蓋板等效鋁厚度為

由式(2)可知，SiP 微系統(tǒng)合金蓋板的等效鋁厚度為1.53mm。即，通過合金蓋板封裝，相當(dāng)于在微系統(tǒng)上下兩面貼裝了約1.53mm 厚的鋁板，在空間環(huán)境中可以起到屏蔽總劑量效應(yīng)的作用。由此可見，該加固方案在不更改微系統(tǒng)整體封裝設(shè)計(jì)的情況下，通過優(yōu)化封裝材料選型和蓋板設(shè)計(jì)，可在一定程度上提高微系統(tǒng)整體抗總劑量效應(yīng)防護(hù)能力。

2 SiP 微系統(tǒng)抗總劑量效應(yīng)評(píng)估方案

在進(jìn)行SiP 微系統(tǒng)抗總劑量效應(yīng)加固設(shè)計(jì)并完成微系統(tǒng)封裝及測(cè)試后，需要使用綜合手段對(duì)產(chǎn)品的空間輻射防護(hù)效能進(jìn)行檢驗(yàn)。

器件級(jí)總劑量試驗(yàn)制定的失效判據(jù)通常過于嚴(yán)苛，實(shí)際在電路板上，即使單個(gè)器件的參數(shù)超差達(dá)到器件級(jí)試驗(yàn)制定的失效標(biāo)準(zhǔn)，電路板的功能、性能也不一定出現(xiàn)異常。而板級(jí)總劑量試驗(yàn)的失效判據(jù)能夠更準(zhǔn)確地反映電路在軌的實(shí)際表現(xiàn)。SiP微系統(tǒng)作為系統(tǒng)級(jí)的功能模塊，將板級(jí)功能電路進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)封裝，其功能由內(nèi)部器件共同完成，因此其總劑量效應(yīng)評(píng)估方法不能簡(jiǎn)單套用器件級(jí)試驗(yàn)方法，可以借鑒板級(jí)電路總劑量評(píng)估方法。

本文中，采用實(shí)心球屏蔽模型分析結(jié)合地面輻照試驗(yàn)的綜合手段對(duì)SiP 微系統(tǒng)抗總劑量效應(yīng)能力進(jìn)行評(píng)估。

2.1 基于實(shí)心球屏蔽模型的總劑量估算方法

經(jīng)查閱某工程技術(shù)要求，基于實(shí)心球屏蔽模型的、由地球外輻射帶粒子和太陽耀斑質(zhì)子引起的電離總劑量與屏蔽厚度之間的關(guān)系見表2 所示。

表2 電離總劑量與屏蔽厚度關(guān)系（實(shí)心球屏蔽模型，8 年GEO 輻射環(huán)境，90%惡劣環(huán)境）Table 2 Relationship between received dose and shielding thickness(solid sphere shielding model,8-year GEO radiation environment)

SiP 微系統(tǒng)經(jīng)過綜合屏蔽后，需要滿足空間環(huán)境下抗總劑量輻射指標(biāo)不低于150krad(Si)的要求。本文選擇8 年GEO 輻射環(huán)境總劑量數(shù)據(jù)作為考核微系統(tǒng)工作的環(huán)境指標(biāo)，此時(shí)空間輻射總劑量達(dá)到8370krad(Si)以上，滿足系統(tǒng)抗空間環(huán)境電離總劑量不低于150krad(Si)的考核要求。

本文研制的SiP 微系統(tǒng)最簡(jiǎn)設(shè)備（參見圖3）只包含微系統(tǒng)及其外圍電路模塊，由于微系統(tǒng)模塊功耗較大，實(shí)際應(yīng)用中要覆蓋散熱片進(jìn)行傳導(dǎo)散熱。以關(guān)鍵元器件所在PCB 為分界面，將設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)電子元器件的輻射屏蔽在A、B 兩個(gè)方向上劃分為2 個(gè)半空間（各2π 立體角），進(jìn)而簡(jiǎn)化為圖4所示的分析模型。

圖4 SiP 微系統(tǒng)簡(jiǎn)化分析模型Fig.4 Simplified analysis model of the SiP microsystem

從關(guān)鍵元器件位置開始，到衛(wèi)星的外表面為止，計(jì)算出在A、B 兩個(gè)方向上所有屏蔽物的等效鋁厚度，分別計(jì)為和。一般情況下，星載計(jì)算機(jī)整機(jī)機(jī)殼厚度不小于3.0mm(Al)；設(shè)備所用PCB 等效為1.50mm(Al)；散熱片厚度等效為0.75mm(Al)，衛(wèi)星壁板等效為1.0mm(Al)，據(jù)此，計(jì)算得到微系統(tǒng)模塊位置的屏蔽厚度為：

然后可在表2 數(shù)據(jù)中，分別查出屏蔽厚度為和時(shí)的輻射劑量值和。為了便于計(jì)算，對(duì)和進(jìn)行舍入，分別設(shè)定=6.0mm(Al)、=7.0mm(Al)，此設(shè)定實(shí)際上是對(duì)設(shè)備進(jìn)行了加嚴(yán)考核。此時(shí)元器件位置的輻射劑量可近似為

在航天器元器件抗輻射能力保證中，所用的輻射環(huán)境數(shù)據(jù)存在一定的不確定度；輻照試驗(yàn)所用元器件與同批其他元器件間存在個(gè)體差異，使得元器件抗輻射能力數(shù)據(jù)也存在一定的不確定度。進(jìn)行航天器抗電離總劑量效應(yīng)防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，須采用合適的輻射設(shè)計(jì)余量（RDM），以保證航天器任務(wù)期內(nèi)在空間輻射環(huán)境中的安全。RDM=/，其中指器件或材料自身的輻射失效劑量，指器件或材料在航天器上實(shí)際使用位置的輻射劑量。原則上RDM不得小于2，綜合考慮工程的性質(zhì)、難度，以及成本、進(jìn)度、可靠性等要求，本文取RDM=2。此時(shí)，=2=28.3krad(Si)，即，在進(jìn)行總劑量試驗(yàn)時(shí)，只要微系統(tǒng)的抗總劑量指標(biāo)達(dá)到28.3krad(Si)就能滿足應(yīng)用環(huán)境的要求。本文采用30krad(Si)總劑量輻射環(huán)境對(duì)微系統(tǒng)進(jìn)行考核。

2.2 總劑量地面試驗(yàn)方法

根據(jù)工程總體要求，為了模擬空間電離輻射環(huán)境，使用西北核技術(shù)研究所的Coγ 射線源對(duì)SiP微系統(tǒng)整體進(jìn)行總劑量輻照試驗(yàn)。

依據(jù)QJ10004—2008《宇航用半導(dǎo)體器件電離總劑量輻照試驗(yàn)方法》，總劑量考核條件應(yīng)選輻射劑量率范圍為0.01～50rad(Si)/s。SiP 微系統(tǒng)的內(nèi)部器件，除DSP 外，在進(jìn)行輻射考核鑒定試驗(yàn)時(shí)劑量率均選擇50rad(Si)/s。經(jīng)與項(xiàng)目需求總體單位確認(rèn)，根據(jù)工程技術(shù)要求，本項(xiàng)目中試驗(yàn)條件選擇如下：

1）輻照試驗(yàn)條件：

①采用Coγ 射線輻照源，γ 射線輸出劑量率采用PTW-UNIDOS 標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行測(cè)量，劑量率不確定度小于2.5%；

②輻射場(chǎng)在試驗(yàn)樣品芯片輻照面積內(nèi)的不均勻度小于10%，只做單向即可；

③總劑量30krad(Si)，劑量率為5rad(Si)/s；

④實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度：(25±3)℃。

2）根據(jù)工程技術(shù)要求，高溫退火試驗(yàn)條件：

①偏置：輻照時(shí)的偏置；

②溫度：100℃±5℃；

③時(shí)間：168h。

3 總劑量輻照試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過程

選擇經(jīng)過測(cè)試的、滿足項(xiàng)目指標(biāo)要求的SiP 微系統(tǒng)模塊，安裝在測(cè)試驗(yàn)證板上。除了SiP 微系統(tǒng)外，板上其他部分全部采用10cm 厚的鉛磚遮蓋，以免因其他芯片的輻照損壞導(dǎo)致試驗(yàn)測(cè)試異常。

將試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)放置在輻照環(huán)境中，按2.2 節(jié)所述試驗(yàn)條件進(jìn)行總劑量輻照測(cè)試。試驗(yàn)過程中采用在線功能監(jiān)測(cè)和記錄電流的方式進(jìn)行SiP 微系統(tǒng)考核，試驗(yàn)樣片采用加電偏置，輻照前、后及過程中，對(duì)偏置條件下的SiP 微系統(tǒng)功能和電源指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證系統(tǒng)功耗是否滿足要求，功能是否正常。試驗(yàn)偏置和考核判據(jù)如表3 所示。

表3 SiP 微系統(tǒng)總劑量試驗(yàn)偏置條件與測(cè)試方法Table 3 Bias conditions and testing methods for total dose test of the SiP micro-system

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)前、試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后，對(duì)SiP 微系統(tǒng)的功能指標(biāo)和電源參數(shù)進(jìn)行測(cè)試和監(jiān)測(cè)。結(jié)果如表4所示。

表4 SiP 微系統(tǒng)總劑量試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table 4 Total dose test results of the SiP micro-system

由表4 可知：

1）試驗(yàn)前、中、后，SiP 微系統(tǒng)預(yù)設(shè)的各項(xiàng)功能均正常，說明γ 射線輻射沒有對(duì)SiP 微系統(tǒng)整體產(chǎn)生影響，系統(tǒng)功能正常。

2）試驗(yàn)過程中和試驗(yàn)后，微系統(tǒng)所在輻射效應(yīng)測(cè)試板的電流增大，平均波動(dòng)率在2%～3%之間。由于輻照試驗(yàn)過程中，除了SiP 微系統(tǒng)之外，測(cè)試板的其他部分采用10cm 厚的鉛磚遮蓋屏蔽，可以認(rèn)為其余器件均未受到射線的輻照，故可認(rèn)為電源電流增大是由于SiP 微系統(tǒng)在輻射條件下發(fā)生電特性變化造成的；但變化不明顯，說明γ 射線輻射沒有對(duì)SiP 微系統(tǒng)整體產(chǎn)生明顯破壞性損傷。由試驗(yàn)判據(jù)（表3）可知，SiP 微系統(tǒng)通過了地面Coγ 射線輻照試驗(yàn)考核。

綜上所述，經(jīng)過實(shí)心球屏蔽模型估算后的SiP 微系統(tǒng)通過了Coγ 射線輻照試驗(yàn)考核。由屏蔽模型反推至單機(jī)設(shè)備層面可知，在電離總劑量150krad(Si)條件下，SiP 微系統(tǒng)樣機(jī)功能性能指標(biāo)可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因此，本文提出的基于系統(tǒng)級(jí)封裝的抗總劑量效應(yīng)加固方案是有效的。

4 結(jié)束語

為滿足空間應(yīng)用對(duì)電子系統(tǒng)高性能、小型化的需求，本文對(duì)一種基于高性能COTS 器件的SiP 微系統(tǒng)進(jìn)行抗總劑量效應(yīng)加固設(shè)計(jì)，選擇0.5mm 厚的鐵鎳鈷合金4J34 材質(zhì)蓋板。采用模型分析與輻照試驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)微系統(tǒng)的抗總劑量效應(yīng)進(jìn)行了評(píng)估，利用Coγ 射線輻照源對(duì)研制的SiP 微系統(tǒng)在8 年GEO 總劑量輻射環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估，結(jié)果表明：本文提出的SiP 微系統(tǒng)抗總劑量效應(yīng)加固后的抗總劑量能力達(dá)到預(yù)期效果，可以滿足相關(guān)任務(wù)應(yīng)用需要。該微系統(tǒng)的抗總劑量效應(yīng)加固設(shè)計(jì)和總劑量效應(yīng)評(píng)估方法可為相關(guān)微系統(tǒng)研制提供參考。