摘要 ：隨著我國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展，星載電子系統(tǒng)的自主可控與國(guó)產(chǎn)化替代已成為保障國(guó)家空間安全的重要戰(zhàn)略方向。單粒子效應(yīng)（Single Event Effects, SEE）作為空間輻射環(huán)境對(duì)微電子器件造成的主要威脅之一，其閾值測(cè)試與防護(hù)策略研究在國(guó)產(chǎn)化元器件的宇航級(jí)應(yīng)用驗(yàn)證中占據(jù)核心地位。本文基于國(guó)科安芯推出的ASP4644系列電源管理芯片、ASM1042S2S型CAN FD收發(fā)器及AS32S601ZIT2型MCU等多型國(guó)產(chǎn)宇航級(jí)元器件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)梳理了當(dāng)前國(guó)產(chǎn)化星載電子元器件在SEE效應(yīng)評(píng)估中的技術(shù)路徑、測(cè)試方法體系、防護(hù)設(shè)計(jì)策略及在軌驗(yàn)證現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)比重離子、質(zhì)子及脈沖激光三種主流SEE測(cè)試技術(shù)手段，分析了不同測(cè)試方法的適用場(chǎng)景與技術(shù)局限性；結(jié)合破壞性物理分析（DPA）、自主可控等級(jí)評(píng)估及總劑量效應(yīng)（TID）協(xié)同測(cè)試，提出了面向宇航應(yīng)用的元器件全周期可靠性保障體系。

1 引言

空間輻射環(huán)境是制約星載電子系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠服役的關(guān)鍵因素之一。地球軌道上的高能質(zhì)子和重離子能夠穿透航天器屏蔽層，與集成電路材料發(fā)生核反應(yīng)或直接電離作用，引發(fā)單粒子效應(yīng)（SEE），包括單粒子鎖定（SEL）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子燒毀（SEB）及單粒子功能中斷（SEFI）等多種失效模式。

本文聚焦國(guó)產(chǎn)化星載電子元器件的SEE閾值測(cè)試與防護(hù)策略，基于國(guó)科安芯推出的ASP4644系列四通道降壓穩(wěn)壓器、ASM1042S2S型CAN FD收發(fā)器及AS32S601ZIT2型MCU等典型型號(hào)的系統(tǒng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，開(kāi)展技術(shù)評(píng)估與分析。這些元器件由國(guó)內(nèi)多家單位協(xié)同研制，通過(guò)了工業(yè)和信息化部電子第五研究所、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心及北京中科芯試驗(yàn)空間科技有限公司等權(quán)威機(jī)構(gòu)的第三方測(cè)試驗(yàn)證，形成了涵蓋DPA分析、自主可控等級(jí)評(píng)估、重離子/質(zhì)子輻照試驗(yàn)、脈沖激光模擬及總劑量效應(yīng)測(cè)試的技術(shù)鏈條。

2 國(guó)產(chǎn)化星載元器件SEE效應(yīng)研究現(xiàn)狀

2.1 SEE效應(yīng)機(jī)理與宇航級(jí)元器件的特殊要求

單粒子效應(yīng)的物理本質(zhì)是高能帶電粒子在器件敏感區(qū)產(chǎn)生電荷沉積，當(dāng)收集電荷超過(guò)臨界閾值時(shí)引發(fā)電路狀態(tài)改變。對(duì)于星載應(yīng)用，元器件通常需滿足LET閾值≥37.4 MeV·cm2/mg的基本要求，部分高軌或深空任務(wù)甚至要求≥75 MeV·cm2/mg。傳統(tǒng)商用器件的SEE敏感性往往高出1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，必須通過(guò)工藝加固、設(shè)計(jì)加固或系統(tǒng)級(jí)防護(hù)方能滿足宇航要求。

當(dāng)前國(guó)產(chǎn)化宇航級(jí)元器件主要采用"設(shè)計(jì)加固+工藝管控+篩選測(cè)試"的技術(shù)路線。以ASP4644系列為例，該型四通道DC/DC降壓穩(wěn)壓器采用BGA77封裝，內(nèi)置功率MOSFET與電感，支持4-14V寬輸入電壓范圍，單通道最大輸出電流達(dá)5A。根據(jù)中國(guó)電子元器件自主可控等級(jí)評(píng)估通用準(zhǔn)則，ASP4644I6B與ASP4644M2B型號(hào)均獲得C級(jí)認(rèn)證，表明其核心原材料與零部件已實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈主導(dǎo)，關(guān)鍵原材料包括DCDC電源晶圓、肖特基二極管及多層陶瓷電容等主要由國(guó)內(nèi)廠商提供，為后續(xù)SEE測(cè)試的樣本代表性提供了基礎(chǔ)保障。

2.2 國(guó)產(chǎn)化SEE測(cè)試能力體系建設(shè)

我國(guó)已建立覆蓋重離子加速器、質(zhì)子回旋加速器及脈沖激光模擬的SEE測(cè)試平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心擁有H-13串列加速器，可提供LET值達(dá)37.4 MeV·cm2/mg的重離子束流；中國(guó)原子能科學(xué)研究院的100MeV質(zhì)子回旋加速器可模擬太陽(yáng)宇宙線及輻射帶質(zhì)子環(huán)境；北京中科芯試驗(yàn)空間科技有限公司的脈沖激光系統(tǒng)則提供5-100 MeV·cm2/mg的等效LET值快速評(píng)估能力。三類測(cè)試手段形成技術(shù)互補(bǔ)：重離子試驗(yàn)為鑒定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)子試驗(yàn)評(píng)估實(shí)際空間質(zhì)子環(huán)境效應(yīng)，脈沖激光適用于快速篩選與失效機(jī)理分析。然而，各測(cè)試平臺(tái)在數(shù)據(jù)互認(rèn)、標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行一致性方面仍存在改進(jìn)空間。

3 SEE閾值測(cè)試方法與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

重離子試驗(yàn)遵循QJ10005A-2018及ESCC 25100標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)加速器產(chǎn)生的高能重離子對(duì)開(kāi)封裝器件進(jìn)行直接輻照。以ASP4644S2B為例，2025年8月在中國(guó)原子能科學(xué)研究院開(kāi)展的試驗(yàn)采用74Ge離子，LET值37.4 MeV·cm2/mg，總注量8.3×10? ion/cm2。試驗(yàn)設(shè)置12V偏置條件，監(jiān)測(cè)四通道中一路的輸出電壓與工作電流，DC電源設(shè)置300mA限流保護(hù)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，輻照過(guò)程中器件工作電流隨注量增加呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，在3×10? ion/cm2時(shí)達(dá)到限流值300mA，但停止輻照后電流可逐步恢復(fù)；繼續(xù)輻照至8.3×10? ion/cm2時(shí)電流超過(guò)1A，但經(jīng)過(guò)一周靜置后恢復(fù)至正常值71mA，輸出電壓始終穩(wěn)定在1.5V。該現(xiàn)象符合單粒子瞬態(tài)（SET）誘導(dǎo)的閂鎖敏感特征，而非破壞性SEL。最終判定ASP4644S2B在測(cè)試條件下未發(fā)生SEL或SEB現(xiàn)象。需要特別指出的是，37.4 MeV·cm2/mg的測(cè)試條件雖滿足商業(yè)航天級(jí)基本要求，但尚不能完全證明器件在更高LET值下的行為特性，這是當(dāng)前測(cè)試能力的主要局限。

ASM1042S2S型CAN FD收發(fā)器在相同LET值、注量1×10? ion/cm2條件下，5V工作電流穩(wěn)定在8mA，5Mbps通信無(wú)誤碼，驗(yàn)證了其在測(cè)試條件下的SEL/SEU耐受能力。試驗(yàn)中的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)包括工作電流實(shí)時(shí)測(cè)量與功能回讀比對(duì)，確保了對(duì)軟錯(cuò)誤的捕捉能力。

3.2 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

質(zhì)子試驗(yàn)依據(jù)GJB9397-2018及GB18871-2002標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)評(píng)估器件對(duì)空間天然質(zhì)子環(huán)境的敏感性。ASP4644S2B的質(zhì)子試驗(yàn)于2025年在中國(guó)原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上完成，注量率1×10? p·cm?2·s?1，總注量1×101? p/cm2。試驗(yàn)過(guò)程中器件未出現(xiàn)功能異常，判定合格。ASM1042S2S及AS32S601ZIT2型MCU的質(zhì)子試驗(yàn)同樣采用100MeV能量、1×101?總注量，結(jié)果顯示均無(wú)SEL/SEU現(xiàn)象，驗(yàn)證了其在低LET端（質(zhì)子LET值約0.1-10 MeV·cm2/mg）的魯棒性。

質(zhì)子試驗(yàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)在于其較低LET值難以觸發(fā)某些加固器件的SEE，但高注量可評(píng)估累積效應(yīng)。試驗(yàn)中需嚴(yán)格控制總劑量累積不超過(guò)TID能力的80%，避免劑量效應(yīng)與位移損傷效應(yīng)干擾SEE判定。所有質(zhì)子試驗(yàn)樣品均配有未輻照參考樣片，以排除測(cè)試系統(tǒng)漂移影響。此外，質(zhì)子試驗(yàn)的環(huán)境參數(shù)（溫度15-35℃，相對(duì)濕度20-80%）需嚴(yán)格記錄，確保試驗(yàn)可重復(fù)性。

3.3 脈沖激光單粒子效應(yīng)模擬

脈沖激光技術(shù)依據(jù)GB/T43967-2024及GJB10761-2022標(biāo)準(zhǔn)，利用皮秒激光脈寬短、能量可控的特點(diǎn)，在器件正面或背面注入電荷，模擬重離子效應(yīng)。AS32S601型MCU的激光試驗(yàn)在LET值5-75 MeV·cm2/mg范圍內(nèi)掃描，當(dāng)能量達(dá)1585pJ（對(duì)應(yīng)LET=65 MeV·cm2/mg）時(shí)監(jiān)測(cè)到SEU，引發(fā)CPU復(fù)位；而未觀察到SEL，表明其SEL閾值高于75 MeV·cm2/mg。該結(jié)果與重離子試驗(yàn)形成交叉驗(yàn)證，但需注意激光模擬的電荷注入剖面與重離子存在差異，特別是在深層敏感區(qū)模擬方面存在局限。

ASM1042系列（SIT1042AQ、TCAN1042HGVD、ASM1042A）的激光試驗(yàn)揭示出不同型號(hào)間的敏感性差異：SIT1042AQ在920pJ（LET=37 MeV·cm2/mg）出現(xiàn)SEL；TCAN1042HGVD在610pJ（LET=25 MeV·cm2/mg）出現(xiàn)SEFI，重啟無(wú)法恢復(fù)；而ASM1042A在最高3050pJ（LET=100 MeV·cm2/mg）仍未失效，展現(xiàn)出不同的抗輻照能力。激光試驗(yàn)的快速反饋能力為設(shè)計(jì)迭代與批次篩選提供了有效手段，但其結(jié)果需通過(guò)重離子試驗(yàn)最終確認(rèn)。

4 協(xié)同測(cè)試與全周期可靠性保障

4.1 破壞性物理分析（DPA）與工藝一致性評(píng)估

DPA是宇航元器件批產(chǎn)質(zhì)量控制的必要環(huán)節(jié)。ASP4644S2B的DPA報(bào)告顯示，樣品通過(guò)外部目檢、X射線檢查、聲學(xué)掃描顯微鏡（SAM）及內(nèi)部目檢，未見(jiàn)分層、空洞或鍵合異常。鍵合強(qiáng)度測(cè)試采用20μm與30μm金線，拉力值符合GJB548B-2025要求，但報(bào)告明確指出"結(jié)果僅作工程觀察，不作合格判定"，體現(xiàn)了對(duì)宇航級(jí)器件高可靠性的審慎態(tài)度。DPA與SEE測(cè)試的關(guān)聯(lián)性在于：金屬化缺陷、鈍化層不完整等工藝問(wèn)題會(huì)顯著降低SEE閾值，因此DPA合格是開(kāi)展SEE測(cè)試的前提。對(duì)于塑封器件，SAM檢查需特別注意芯片背面分層問(wèn)題，這可能影響散熱與應(yīng)力分布。

4.2 總劑量效應(yīng)（TID）與SEE的協(xié)同評(píng)估

空間輻射環(huán)境同時(shí)包含電離總劑量與單粒子效應(yīng)，二者存在協(xié)同作用。ASP4644S2B的TID試驗(yàn)參照QJ10004A-2018標(biāo)準(zhǔn)，采用鈷60γ源，劑量率25 rad(Si)/s，累積劑量達(dá)150 krad(Si)后加50%過(guò)輻照（225 krad(Si)）。試驗(yàn)前后工作電流穩(wěn)定在72mA，輸出電壓1.5V無(wú)漂移，判定抗TID能力>125 krad(Si)。ASM1042S2S與AS32S601ZIT2的TID試驗(yàn)均達(dá)標(biāo)>150 krad(Si)。

TID測(cè)試的偏置條件設(shè)計(jì)需貼近實(shí)際工作模式。ASP4644S2B采用12V輸入，四通道分別輸出3.3V、2.5V、1.5V、1.2V，空載監(jiān)測(cè)1.5V通道，確保內(nèi)部LDO與功率管均受輻照。AS32S601ZIT2則加3.3V靜態(tài)偏置，監(jiān)測(cè)CAN通信與FLASH/RAM擦寫(xiě)功能。移位測(cè)試的時(shí)間間隔控制在72小時(shí)內(nèi)，以捕捉退火效應(yīng)。協(xié)同測(cè)試表明，國(guó)產(chǎn)元器件在TID與SEE雙重應(yīng)力下性能穩(wěn)定，但需警惕某些器件在TID損傷后SEE敏感性增加的風(fēng)險(xiǎn)，這要求在實(shí)際任務(wù)中進(jìn)行綜合裕量設(shè)計(jì)。

4.3 自主可控等級(jí)評(píng)估對(duì)測(cè)試可信度的支撐

依據(jù)ZKB3101-001-2022《軍用電子元器件自主可控評(píng)估通用準(zhǔn)則》，ASP4644I6B與M2B型號(hào)獲C級(jí)認(rèn)證，表明其設(shè)計(jì)、制造、封裝、測(cè)試環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)自主可控，但部分原材料存在境外替代風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)鍵原材料清單顯示，ASP3605晶圓由國(guó)科環(huán)宇自研，MBR4010DF由富芯森美半導(dǎo)體提供，無(wú)源元件與基板均選自風(fēng)華高科、江西紅板等國(guó)產(chǎn)供應(yīng)商，鍵合絲、塑封料亦實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。自主可控評(píng)估為SEE測(cè)試提供了供應(yīng)鏈可信度背書(shū)，確保測(cè)試樣品與在軌器件的技術(shù)狀態(tài)一致性，這對(duì)于測(cè)試結(jié)果的可追溯性與任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要。

5 防護(hù)策略工程應(yīng)用分析

5.1 器件級(jí)加固設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)路徑

國(guó)產(chǎn)宇航級(jí)器件采用多種加固技術(shù)：工藝上選用UMC 55nm、VIS 0.15μm BCD等成熟工藝節(jié)點(diǎn)，避免FinFET等敏感結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)上增加保護(hù)環(huán)、冗余節(jié)點(diǎn)與電流限幅電路；版圖優(yōu)化敏感節(jié)點(diǎn)間距，降低電荷共享效應(yīng)。ASP4644S2B的BGA77封裝采用77個(gè)焊球陣列，功率地（GND）與信號(hào)地（SGND）分離設(shè)計(jì)，降低單粒子瞬態(tài)干擾。內(nèi)置電感與功率MOSFET的集成設(shè)計(jì)減少了外部互連，降低了單粒子感應(yīng)噪聲的耦合路徑。

AS32S601ZIT2的MCU內(nèi)核采用RISC-V架構(gòu)，集成ECC糾錯(cuò)功能的SRAM與FLASH，有效緩解SEU影響。其512KiB SRAM與2MiB P-Flash的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)單粒子翻轉(zhuǎn)的敏感性不同，要求差異化的測(cè)試策略。存儲(chǔ)器的ECC設(shè)計(jì)雖能糾正單位錯(cuò)，但對(duì)多位翻轉(zhuǎn)（MBU）的防護(hù)能力有限，這在高LET值重離子環(huán)境中需特別關(guān)注。

5.2 系統(tǒng)級(jí)防護(hù)架構(gòu)的工程實(shí)現(xiàn)

星載電源系統(tǒng)通常采用"浪涌抑制+限流保護(hù)+冷冗余"三級(jí)防護(hù)架構(gòu)。ASP4644S2B在軌應(yīng)用中，其4通道并聯(lián)輸出16A能力為衛(wèi)星載荷供電，測(cè)試條件下SEL閾值>37.4 MeV·cm2/mg的設(shè)計(jì)指標(biāo)降低了系統(tǒng)級(jí)防護(hù)壓力。實(shí)際工程中會(huì)配置外部 watchdog 與電流監(jiān)測(cè)電路，一旦檢測(cè)到異常功耗即觸發(fā)斷電重啟，響應(yīng)時(shí)間通常控制在毫秒級(jí)。對(duì)于多電源并聯(lián)系統(tǒng)，還需考慮單粒子瞬態(tài)引發(fā)的輸出電壓波動(dòng)對(duì)負(fù)載的影響，輸出端需增加LC濾波與儲(chǔ)能電容。

通信系統(tǒng)則通過(guò)"看門(mén)狗+三模冗余（TMR）+重傳機(jī)制"應(yīng)對(duì)SEFI與SEU。ASM1042S2S的CAN FD接口支持5Mbps高速率，其SEL閾值在測(cè)試條件下表現(xiàn)良好，配合總線級(jí)CRC校驗(yàn)與應(yīng)答機(jī)制，可確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性。對(duì)于關(guān)鍵指令傳輸，常采用雙CAN總線冗余與交叉校驗(yàn)策略，避免SEFI導(dǎo)致的總線永久性失效。系統(tǒng)級(jí)防護(hù)還需考慮單粒子效應(yīng)對(duì)同步信號(hào)（如CLKIN/CLKOUT）的干擾，ASP4644S2B的時(shí)鐘同步功能在測(cè)試中未受影響，但在實(shí)際任務(wù)中仍需評(píng)估時(shí)鐘抖動(dòng)對(duì)分布式系統(tǒng)的影響。

5.3 在軌驗(yàn)證的工程意義與挑戰(zhàn)

ASP4644S2B與ASM1042S2S已于2025年5月搭載于TY29"天儀29星"高光譜地質(zhì)遙感衛(wèi)星與TY35光學(xué)遙感衛(wèi)星，截至2025年7月在軌運(yùn)行約2個(gè)月期間供電穩(wěn)定、通信正常。在軌數(shù)據(jù)與地面試驗(yàn)的相關(guān)性分析是驗(yàn)證測(cè)試有效性的最終環(huán)節(jié)。目前數(shù)據(jù)表明，地面試驗(yàn)中在37.4 MeV·cm2/mg條件下未發(fā)生SEL的器件在軌未出現(xiàn)鎖定事件，初步驗(yàn)證了測(cè)試方法的保守性。

然而，在軌驗(yàn)證面臨多重挑戰(zhàn)：首先，空間輻射環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化（太陽(yáng)質(zhì)子事件、地磁擾動(dòng)）難以在地面試驗(yàn)中完全模擬；其次，在軌監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分辨率有限，難以區(qū)分SET與SEL的早期征兆；第三，在軌樣本量小，統(tǒng)計(jì)置信度不足。因此，在軌驗(yàn)證應(yīng)視為對(duì)地面試驗(yàn)的補(bǔ)充而非替代。未來(lái)的星載電子系統(tǒng)應(yīng)集成健康監(jiān)測(cè)單元，實(shí)時(shí)記錄器件工作電流、溫度及錯(cuò)誤日志，通過(guò)遙測(cè)數(shù)據(jù)與地面協(xié)同分析，建立SEE效應(yīng)的在軌預(yù)測(cè)模型。

6 結(jié)論

本文基于ASP4644、ASM1042S2S、AS32S601ZIT2等多型國(guó)產(chǎn)化星載器件的系統(tǒng)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，客觀評(píng)估了SEE閾值測(cè)試與防護(hù)策略的技術(shù)現(xiàn)狀。研究表明，國(guó)產(chǎn)元器件通過(guò)設(shè)計(jì)加固、工藝優(yōu)化與嚴(yán)格測(cè)試，在SEL閾值、SEU閾值及TID耐受能力等關(guān)鍵指標(biāo)上已達(dá)到商業(yè)航天級(jí)應(yīng)用要求，部分型號(hào)獲得初步在軌驗(yàn)證。重離子、質(zhì)子與脈沖激光三種測(cè)試手段各有優(yōu)勢(shì)，協(xié)同測(cè)試可構(gòu)建全周期可靠性保障體系。