摘要

隨著航天技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子元器件在太空環(huán)境中的可靠性愈發(fā)關(guān)鍵。空間輻射環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)電子器件的性能構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文分析了國(guó)科安芯推出的ASP4644S2B型DCDC降壓穩(wěn)壓器的抗輻照性能，包括地面試驗(yàn)與在軌驗(yàn)證兩部分。通過總劑量效應(yīng)試驗(yàn)、單粒子效應(yīng)試驗(yàn)和質(zhì)子輻照試驗(yàn)，系統(tǒng)評(píng)估了其在復(fù)雜空間輻射環(huán)境下的可靠性。結(jié)合在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其性能穩(wěn)定性與抗輻照能力。研究結(jié)果表明，ASP4644S2B在空間輻射環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照性能，滿足商業(yè)航天及宇航領(lǐng)域的需求。本文為國(guó)產(chǎn)化航天芯片的抗輻照性能評(píng)估提供了重要參考。

1. 引言

空間輻射環(huán)境對(duì)電子元器件的性能和可靠性具有顯著影響，主要表現(xiàn)為總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)和位移損傷等。隨著商業(yè)航天和宇航技術(shù)的快速發(fā)展，電子元器件的抗輻照性能成為決定衛(wèi)星系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵因素之一。為確保電子器件在復(fù)雜空間環(huán)境中的正常運(yùn)行，地面試驗(yàn)與在軌驗(yàn)證成為不可或缺的環(huán)節(jié)。

ASP4644S2B是國(guó)科安芯研發(fā)的4通道DCDC降壓穩(wěn)壓器，適用于4 ~ 14V寬輸入電壓范圍，每通道可輸出0.6~5.5V電壓，最大驅(qū)動(dòng)電流達(dá)4A。其具備過流、過溫、短路保護(hù)和輸出跟蹤功能，適用于商業(yè)航天及宇航領(lǐng)域。

2. 地面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 總劑量效應(yīng)試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c依據(jù)

總劑量效應(yīng)試驗(yàn)用于評(píng)估電子元器件在累積電離輻射環(huán)境下的性能變化。根據(jù)GJB548C-2023《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》及QJ10004A-2018《宇航用半導(dǎo)體器件總劑量輻照試驗(yàn)方法》，ASP4644S2B的總劑量效應(yīng)試驗(yàn)在北京大學(xué)技術(shù)物理系鈷60γ射線源平臺(tái)上開展。試驗(yàn)劑量率設(shè)置為25 rad(Si)/s，輻照總劑量為125 krad(Si)。

2.1.2 試驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)樣品為單只ASP4644S2B芯片，封裝形式為BGA77。輻照前，對(duì)樣品進(jìn)行了常溫下的功能測(cè)試，包括輸入電壓、輸出電壓、工作電流等參數(shù)。輻照過程中，樣品加12V直流電源，設(shè)置輸出電壓為3.3V、2.5V、1.5V及1.2V，空載條件下進(jìn)行測(cè)試。輻照完成后，對(duì)樣品進(jìn)行退火處理（高溫退火168小時(shí)），并在室溫下進(jìn)行功能復(fù)測(cè)。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，ASP4644S2B在輻照劑量達(dá)到125 krad(Si)時(shí)，輸入電壓12V、輸出電壓1.5V條件下，工作電流仍保持在72 mA，與輻照前測(cè)試數(shù)據(jù)一致。高溫退火后，樣品的電參數(shù)未出現(xiàn)異常變化，功能測(cè)試結(jié)果合格。結(jié)果表明，ASP4644S2B具備較強(qiáng)的抗總劑量輻照能力。

2.2 重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c依據(jù)

單粒子效應(yīng)試驗(yàn)用于評(píng)估器件在空間高能粒子環(huán)境下的抗單粒子鎖定（SEL）和單粒子燒毀（SEB）能力。根據(jù)QJ10005A-2018《宇航用半導(dǎo)體器件重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)指南》，試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心可靠性與環(huán)境試驗(yàn)中心完成。

2.2.2 試驗(yàn)條件與過程

試驗(yàn)采用重離子加速器產(chǎn)生的Ge離子束，LET值為37.4 MeV·cm2/mg，注量為8.3×10? ion/cm2。樣品設(shè)置為12V偏置條件，工作電流初始值為71 mA，輸出電壓為1.5V。試驗(yàn)過程中，對(duì)樣品的工作電流及輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在輻照注量達(dá)到8.3×10? ion/cm2時(shí)，樣品工作電流未超過限流值（300 mA），輸出電壓保持穩(wěn)定（1.5V），未發(fā)生SEL或SEB現(xiàn)象。停止輻照后靜置一周，器件工作電流恢復(fù)至正常水平。試驗(yàn)表明，ASP4644S2B的單粒子燒毀和單粒子鎖定LET閾值大于37.4 MeV·cm2/mg。

2.3 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c依據(jù)

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)用于評(píng)估器件在質(zhì)子輻照環(huán)境下的抗輻照能力。根據(jù)《宇航用半導(dǎo)體器件質(zhì)子單粒子實(shí)驗(yàn)方法》，試驗(yàn)在北京中科芯試驗(yàn)空間科技有限公司完成。

2.3.2 試驗(yàn)條件與過程

試驗(yàn)采用100 MeV質(zhì)子加速器，注量率為1×10? ion/cm2/s，總注量為1×101? ion/cm2。樣品設(shè)置為12V偏置條件，輸出電壓為1.5V。試驗(yàn)過程中，對(duì)樣品的工作電流及輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，樣品在輻照過程中工作電流未出現(xiàn)異常，輸出電壓保持穩(wěn)定（1.5V）。試驗(yàn)后，樣品功能正常，未發(fā)生單粒子效應(yīng)。結(jié)果表明，ASP4644S2B在質(zhì)子輻照環(huán)境下具備良好的抗輻照性能。

3. 在軌驗(yàn)證與性能表現(xiàn)

3.1 在軌驗(yàn)證背景

ASP4644S2B已成功搭載于地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星TY29“天儀29星”和光學(xué)遙感衛(wèi)星TY35“天儀35星”，并于2025年5月發(fā)射升空。這兩顆衛(wèi)星主要用于高光譜地質(zhì)遙感及光學(xué)遙感任務(wù)，對(duì)電源芯片的穩(wěn)定性及可靠性提出了嚴(yán)格要求。

3.2 在軌運(yùn)行情況

根據(jù)長(zhǎng)沙天儀空間科技研究院有限公司提供的在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)，ASP4644S2B芯片在軌運(yùn)行穩(wěn)定，供電功能正常，輸出電壓及電流均符合設(shè)計(jì)要求。其SEU（單粒子翻轉(zhuǎn)）閾值≥75 MeV·cm2/mg，SEL閾值≥75 MeV·cm2/mg，滿足衛(wèi)星系統(tǒng)的抗輻照設(shè)計(jì)需求。

3.3 在軌驗(yàn)證結(jié)果分析

在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，ASP4644S2B在實(shí)際空間輻射環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照性能，與地面試驗(yàn)結(jié)果一致。這進(jìn)一步驗(yàn)證了其在復(fù)雜空間環(huán)境下的可靠性及穩(wěn)定性。

4. 抗輻照性能的機(jī)理分析

4.1 總劑量效應(yīng)機(jī)理

總劑量效應(yīng)主要由電離輻射引起的電荷積累導(dǎo)致器件性能退化。ASP4644S2B在設(shè)計(jì)中采用了優(yōu)化的電路布局和屏蔽措施，以減少電離輻射對(duì)敏感區(qū)域的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，其抗總劑量輻照能力達(dá)到125 krad(Si)，表明其在寬范圍的累積劑量下仍能保持正常功能。

4.2 重離子單粒子效應(yīng)機(jī)理

單粒子效應(yīng)由高能粒子穿過器件敏感區(qū)域引發(fā)，可能導(dǎo)致瞬時(shí)功能異常或永久性損壞。ASP4644S2B通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和采用抗輻照設(shè)計(jì)工藝，顯著提高了單粒子效應(yīng)閾值。試驗(yàn)表明，其LET閾值大于37.4 MeV·cm2/mg，表明其在單粒子環(huán)境下具備較高的可靠性。

4.3 質(zhì)子輻照效應(yīng)機(jī)理

質(zhì)子輻照可能導(dǎo)致器件內(nèi)部電離和位移損傷。ASP4644S2B通過材料選擇和工藝優(yōu)化，有效降低了質(zhì)子輻照對(duì)其性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，其在100 MeV質(zhì)子輻照環(huán)境下功能正常，未出現(xiàn)性能退化。

5. 應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)挑戰(zhàn)

5.1 應(yīng)用場(chǎng)景分析

ASP4644S2B在商業(yè)航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下場(chǎng)景：

高光譜遙感衛(wèi)星 ：在地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星TY29中，ASP4644S2B為處理和分析板供電，支持高光譜數(shù)據(jù)采集與傳輸。

光學(xué)遙感衛(wèi)星 ：在光學(xué)遙感衛(wèi)星TY35中，其為成像系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源支持，確保遙感數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。

5.2 技術(shù)挑戰(zhàn)

復(fù)雜空間環(huán)境適應(yīng)性 ：空間輻射環(huán)境的多樣性和不可預(yù)測(cè)性對(duì)芯片的抗輻照設(shè)計(jì)提出了更高要求。

高可靠性和長(zhǎng)壽命需求 ：衛(wèi)星系統(tǒng)通常要求芯片具備10~15年的在軌使用壽命，這對(duì)芯片的材料和工藝提出了嚴(yán)格挑戰(zhàn)。

國(guó)產(chǎn)化替代的驗(yàn)證 ：在國(guó)際供應(yīng)鏈?zhǔn)芟薜谋尘跋?，?guó)產(chǎn)化芯片的性能和可靠性驗(yàn)證成為關(guān)鍵問題。

6. 總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)分析了ASP4644S2B型DCDC降壓穩(wěn)壓器的抗輻照性能，包括總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)及質(zhì)子輻照試驗(yàn)，并結(jié)合在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：

ASP4644S2B在總劑量輻照試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗總劑量能力，輻照劑量達(dá)到125 krad(Si)后仍保持功能正常。在重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中，其LET閾值大于37.4 MeV·cm2/mg，未發(fā)生SEL或SEB現(xiàn)象。在質(zhì)子輻照試驗(yàn)中，樣品功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，ASP4644S2B供電穩(wěn)定，性能滿足衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

ASP4644S2B的成功研發(fā)及應(yīng)用，為國(guó)產(chǎn)化航天芯片的抗輻照性能評(píng)估提供了重要參考。未來(lái)，隨著空間環(huán)境復(fù)雜性的增加，進(jìn)一步優(yōu)化芯片的抗輻照設(shè)計(jì)及工藝將成為研究重點(diǎn)。同時(shí)，加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)化替代及供應(yīng)鏈體系建設(shè)，也將為我國(guó)航天事業(yè)的自主可控發(fā)展提供重要支撐。