一種基于COTS 器件的SiP 微系統的抗總劑量效應加固設計與試驗評估

許振龍，伍攀峰，李 杰，王明賀

（山東航天電子技術研究所，煙臺 264003）

0 引言

進入21 世紀以來，隨著各類衛星應用和任務的迅速增長，航天器功能日益復雜，性能也日趨先進。在拓展空間應用領域的同時，也對衛星平臺和載荷電子系統的集成度和小型化提出了更高的要求。高性能、小型化是衛星電子系統發展的必然趨勢。

目前，從系統集成的角度出發，主要有2 種方式實現電子系統小型化——系統級封裝（SiP）和系統級芯片（SoC）。SiP 是將多個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標準封裝件，構成一個系統或者子系統的微小型化電路類產品；SoC 又稱“片上系統”，是將中央處理器（CPU）、模擬IP 核、數字IP 核和存儲器（或片外存儲控制接口）集成在單一芯片上形成的系統或標準化產品。與SiP 技術相比，SoC 技術成本高、可定制性差、研制周期較長，不利于快速迭代。SiP 技術作為系統微型化趨勢下的重要先進封裝技術，是微系統技術發展的主要方向之一，也是實現衛星電子系統小型化、多功能、低成本的重要途徑。

航天應用的微系統需要考慮空間輻射效應的影響?？臻g輻射效應對航天器的影響主要表現在總劑量（TID）效應和單粒子效應（SEE）。其中總劑量輻射效應是指金屬?氧化物?半導體（MOS）器件持續受到電離輻射（如高能帶電粒子、X 射線、γ 射線等）時，輻射劑量不斷累積導致器件參數漂移或者性能衰退，乃至器件完全失效的現象。

目前，星載應用的數據處理系統主要基于抗輻射器件研制，但是抗輻射器件工藝復雜、生產周期長、批量小、成本較高。因此，采用高性能商用貨架產品（COTS）來平衡性能和成本，并進行抗輻射加固作為一種可行的解決方案被提出。

本文針對地球同步軌道空間任務對電子系統高性能、小型化的需求，對一種基于高性能COTS器件的SiP 微系統的抗總劑量效應加固方案進行研究；為驗證該微系統是否可以滿足空間環境應用需要，采用模型分析與地面試驗相結合的方法對其在GEO 輻射環境下的抗總劑量效應進行評估。

1 SiP 微系統抗總劑量輻射加固設計

1.1 基于COTS 器件的SiP 微系統設計

本文研究的SiP 微系統架構如圖1 所示。整個微系統以國產多核DSP 和FPGA 為計算核心，實現通用化數據處理功能。對外通信總線包括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 微系統架構示意Fig.1 Schematic diagram of the SiP micro-system

為實現電子系統的高功能密度集成，采用先進立體雙腔封裝工藝進行系統級封裝?？紤]到空間散熱需求，微系統采用陶瓷外殼封裝，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 微系統上腔（左）和下腔（右）三維結構Fig.2 Three dimensional structure of upper cavity(left) and lower cavity(right) of the SiP micro-system

1.2 SiP 微系統抗總劑量加固方案設計

采信相關輻射數據庫已有數據，本文研究的SiP 微系統的內部核心器件中，除DSP 外，其余器件的抗總劑量指標均超過100krad(Si)。DSP 采用了高性能COTS 器件，未采取抗輻射設計，屬于總劑量效應薄弱環節，需要進行總劑量效應防護設計。根據工程任務需要，該SiP 微系統須滿足在電離總劑量150krad(Si)條件下樣機功能性能指標達到系統設計要求。

對于SiP 微系統的總劑量效應，在已經確定器件選型前提下，防護設計主要通過基于系統級封裝的方法實現，充分利用微系統自身具有輻射屏蔽作用的零部件或者材料，對微系統內部進行輻射屏蔽。

本文對所研究的SiP 微系統的抗總劑量加固方案設計為：采用陶瓷外殼封裝，上下腔采用金屬臺階蓋板進行平行封焊。整個微系統結構由上合金蓋板、裸芯片、陶瓷基板、下合金蓋板及金屬管腳等組成。微系統內部結構及在設備中安裝情況如圖3 所示。上下雙腔的合金蓋板在實際環境中可以起到屏蔽總劑量輻射的作用。

圖3 基于SiP 微系統的電子設備結構示意Fig.3Schematic diagram of internal structure of electronic equipmentbasedonSiPmicro-system

在進行總劑量輻射屏蔽分析與設計時，需要將屏蔽效能轉化為等效鋁材料厚度。一般采用以下經驗公式進行轉換，即

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

SiP 微系統封裝常用合金蓋板材料特性如表1所示。

表1 SiP 微系統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量面密度成正比；設定合金蓋板厚度為，材料密度為，則蓋板材料的質量面密度=×。因此在蓋板厚度相同的情況下，應該選擇比重較大的4J34 或4J29 材料生產蓋板；另外，本文研究的SiP 微系統整體功耗超過5W，空間應用時主要通過蓋板進行傳導散熱，蓋板需要選擇導熱良好的材料，因此應該優先選擇熱導率較大的4J34 或4J29 材料；同時，考慮蓋板實際應用時需要良好接地，因此應該選擇電阻率最小的4J34 材料。經過綜合評估，本文選擇鐵鎳鈷合金4J34 作為蓋板材質。為了提高屏蔽效果，將合金蓋板適當加厚，設定厚度為0.05cm，則該SiP 微系統的合金蓋板等效鋁厚度為

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

2 SiP 微系統抗總劑量效應評估方案

在進行SiP 微系統抗總劑量效應加固設計并完成微系統封裝及測試后，需要使用綜合手段對產品的空間輻射防護效能進行檢驗。

器件級總劑量試驗制定的失效判據通常過于嚴苛，實際在電路板上，即使單個器件的參數超差達到器件級試驗制定的失效標準，電路板的功能、性能也不一定出現異常。而板級總劑量試驗的失效判據能夠更準確地反映電路在軌的實際表現。SiP微系統作為系統級的功能模塊，將板級功能電路進行系統級封裝，其功能由內部器件共同完成，因此其總劑量效應評估方法不能簡單套用器件級試驗方法，可以借鑒板級電路總劑量評估方法。

本文中，采用實心球屏蔽模型分析結合地面輻照試驗的綜合手段對SiP 微系統抗總劑量效應能力進行評估。

2.1 基于實心球屏蔽模型的總劑量估算方法

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

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

SiP 微系統經過綜合屏蔽后，需要滿足空間環境下抗總劑量輻射指標不低于150krad(Si)的要求。本文選擇8 年GEO 輻射環境總劑量數據作為考核微系統工作的環境指標，此時空間輻射總劑量達到8370krad(Si)以上，滿足系統抗空間環境電離總劑量不低于150krad(Si)的考核要求。

本文研制的SiP 微系統最簡設備（參見圖3）只包含微系統及其外圍電路模塊，由于微系統模塊功耗較大，實際應用中要覆蓋散熱片進行傳導散熱。以關鍵元器件所在PCB 為分界面，將設備內部結構對電子元器件的輻射屏蔽在A、B 兩個方向上劃分為2 個半空間（各2π 立體角），進而簡化為圖4所示的分析模型。

圖4 SiP 微系統簡化分析模型Fig.4 Simplified analysis model of the SiP microsystem

從關鍵元器件位置開始，到衛星的外表面為止，計算出在A、B 兩個方向上所有屏蔽物的等效鋁厚度，分別計為和。一般情況下，星載計算機整機機殼厚度不小于3.0mm(Al)；設備所用PCB 等效為1.50mm(Al)；散熱片厚度等效為0.75mm(Al)，衛星壁板等效為1.0mm(Al)，據此，計算得到微系統模塊位置的屏蔽厚度為：

然后可在表2 數據中，分別查出屏蔽厚度為和時的輻射劑量值和。為了便于計算，對和進行舍入，分別設定=6.0mm(Al)、=7.0mm(Al)，此設定實際上是對設備進行了加嚴考核。此時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，所用的輻射環境數據存在一定的不確定度；輻照試驗所用元器件與同批其他元器件間存在個體差異，使得元器件抗輻射能力數據也存在一定的不確定度。進行航天器抗電離總劑量效應防護設計時，須采用合適的輻射設計余量（RDM），以保證航天器任務期內在空間輻射環境中的安全。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、難度，以及成本、進度、可靠性等要求，本文取RDM=2。此時，=2=28.3krad(Si)，即，在進行總劑量試驗時，只要微系統的抗總劑量指標達到28.3krad(Si)就能滿足應用環境的要求。本文采用30krad(Si)總劑量輻射環境對微系統進行考核。

2.2 總劑量地面試驗方法

根據工程總體要求，為了模擬空間電離輻射環境，使用西北核技術研究所的Coγ 射線源對SiP微系統整體進行總劑量輻照試驗。

依據QJ10004—2008《宇航用半導體器件電離總劑量輻照試驗方法》，總劑量考核條件應選輻射劑量率范圍為0.01～50rad(Si)/s。SiP 微系統的內部器件，除DSP 外，在進行輻射考核鑒定試驗時劑量率均選擇50rad(Si)/s。經與項目需求總體單位確認，根據工程技術要求，本項目中試驗條件選擇如下：

1）輻照試驗條件：

①采用Coγ 射線輻照源，γ 射線輸出劑量率采用PTW-UNIDOS 標準裝置進行測量，劑量率不確定度小于2.5%；

②輻射場在試驗樣品芯片輻照面積內的不均勻度小于10%，只做單向即可；

③總劑量30krad(Si)，劑量率為5rad(Si)/s；

④實驗室環境溫度：(25±3)℃。

2）根據工程技術要求，高溫退火試驗條件：

①偏置：輻照時的偏置；

②溫度：100℃±5℃；

③時間：168h。

3 總劑量輻照試驗及結果分析

3.1 試驗過程

選擇經過測試的、滿足項目指標要求的SiP 微系統模塊，安裝在測試驗證板上。除了SiP 微系統外，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致試驗測試異常。

將試驗測試系統放置在輻照環境中，按2.2 節所述試驗條件進行總劑量輻照測試。試驗過程中采用在線功能監測和記錄電流的方式進行SiP 微系統考核，試驗樣片采用加電偏置，輻照前、后及過程中，對偏置條件下的SiP 微系統功能和電源指標進行監測，驗證系統功耗是否滿足要求，功能是否正常。試驗偏置和考核判據如表3 所示。

表3 SiP 微系統總劑量試驗偏置條件與測試方法Table 3 Bias conditions and testing methods for total dose test of the SiP micro-system

3.2 試驗結果

試驗前、試驗過程中及試驗后，對SiP 微系統的功能指標和電源參數進行測試和監測。結果如表4所示。

表4 SiP 微系統總劑量試驗測試結果Table 4 Total dose test results of the SiP micro-system

由表4 可知：

1）試驗前、中、后，SiP 微系統預設的各項功能均正常，說明γ 射線輻射沒有對SiP 微系統整體產生影響，系統功能正常。

2）試驗過程中和試驗后，微系統所在輻射效應測試板的電流增大，平均波動率在2%～3%之間。由于輻照試驗過程中，除了SiP 微系統之外，測試板的其他部分采用10cm 厚的鉛磚遮蓋屏蔽，可以認為其余器件均未受到射線的輻照，故可認為電源電流增大是由于SiP 微系統在輻射條件下發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SiP 微系統整體產生明顯破壞性損傷。由試驗判據（表3）可知，SiP 微系統通過了地面Coγ 射線輻照試驗考核。

綜上所述，經過實心球屏蔽模型估算后的SiP 微系統通過了Coγ 射線輻照試驗考核。由屏蔽模型反推至單機設備層面可知，在電離總劑量150krad(Si)條件下，SiP 微系統樣機功能性能指標可以達到系統設計要求。因此，本文提出的基于系統級封裝的抗總劑量效應加固方案是有效的。

4 結束語

為滿足空間應用對電子系統高性能、小型化的需求，本文對一種基于高性能COTS 器件的SiP 微系統進行抗總劑量效應加固設計，選擇0.5mm 厚的鐵鎳鈷合金4J34 材質蓋板。采用模型分析與輻照試驗結合的方法對微系統的抗總劑量效應進行了評估，利用Coγ 射線輻照源對研制的SiP 微系統在8 年GEO 總劑量輻射環境下進行試驗評估，結果表明：本文提出的SiP 微系統抗總劑量效應加固后的抗總劑量能力達到預期效果，可以滿足相關任務應用需要。該微系統的抗總劑量效應加固設計和總劑量效應評估方法可為相關微系統研制提供參考。