摘要

星載通信載荷的穩(wěn)定運(yùn)行依賴高可靠電源管理芯片，空間輻射引發(fā)的單粒子效應(yīng)（SEE）和總劑量效應(yīng)（TID）是制約芯片服役壽命的核心因素。本文以國(guó)科安芯商業(yè)航天級(jí)四通道降壓穩(wěn)壓器 ASP4644S2B 為研究對(duì)象，系統(tǒng)梳理星載電源管理芯片 SEE/TID 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)流程與評(píng)估體系，整合其破壞性物理分析（DPA）、重離子 / 質(zhì)子單粒子試驗(yàn)、總劑量試驗(yàn)及在軌應(yīng)用數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析測(cè)試參數(shù)設(shè)計(jì)與可靠性驗(yàn)證邏輯，并拓展多場(chǎng)景應(yīng)用適配性，為星載電源管理芯片的測(cè)試優(yōu)化、可靠性評(píng)估及場(chǎng)景拓展提供理論與工程參考。

一、引言

商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)的輕量化、高集成化發(fā)展，對(duì)星載通信載荷電源管理芯片的能量轉(zhuǎn)換效率、功率密度及抗輻射性能提出嚴(yán)苛要求。空間環(huán)境中的高能帶電粒子會(huì)引發(fā) SEE 和 TID 效應(yīng)，導(dǎo)致芯片功能異?；蚴?，據(jù)統(tǒng)計(jì)，25% 以上的航天器電源系統(tǒng)故障與輻射效應(yīng)直接相關(guān)。因此，建立科學(xué)的 SEE/TID 測(cè)試體系與在軌可靠性評(píng)估方法，對(duì)保障航天任務(wù)安全具有重要工程價(jià)值。

ASP4644S2B 作為聯(lián)合研制的商業(yè)航天級(jí)芯片，集成功率 MOSFET 與電感，輸入電壓 4V14V，輸出 0.6V5.5V，四通道并聯(lián)輸出電流可達(dá) 16A，具備過流 / 過溫 / 短路保護(hù)功能，通過 AEC-Q104 Grade1 車規(guī)認(rèn)證，已成功應(yīng)用于地質(zhì)遙感小衛(wèi)星，其完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與在軌驗(yàn)證案例為星載芯片測(cè)試研究提供了典型載體。

二、星載電源管理芯片 SEE 測(cè)試方法與試驗(yàn)分析

2.1 SEE 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與核心要求

SEE 測(cè)試需通過加速離子源模擬空間輻射，核心要求包括：設(shè)備需精確調(diào)控離子能量、LET 值與注量率；輻照條件需匹配應(yīng)用軌道環(huán)境，總注量不低于 1×10? ion/cm2；偏置條件模擬實(shí)際工作狀態(tài)，覆蓋單通道與多通道模式；效應(yīng)判定以 SEL/SEB 的電流突變、功能失效為依據(jù)。

2.2 ASP4644S2B 芯片 SEE 測(cè)試實(shí)施與結(jié)果

2.2.1 破壞性物理分析（DPA）

依據(jù) GJB4027B-2021 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì) 2 只 ASP4644S2B 樣品進(jìn)行外部目檢、X 光檢查、聲學(xué)掃描顯微鏡檢查、內(nèi)部目檢及鍵合強(qiáng)度測(cè)試。結(jié)果顯示，樣品外觀無損傷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整，無虛焊或空洞；Au-20μm 鍵合測(cè)試力值 3.2566.806g，Au-30μm 鍵合測(cè)試力值 11.53630.576g，均滿足工程要求，驗(yàn)證了芯片制造工藝與結(jié)構(gòu)完整性。

2.2.2 重離子單粒子試驗(yàn)

依據(jù) QJ 10005A-2018 標(biāo)準(zhǔn)，采用??Ge 離子（能量 205 MeV，LET 值 37.4 MeV?cm2/mg）輻照樣品，總注量 8.3×10? ion/cm2。偏置條件為 12V 輸入、1.5V 輸出，設(shè)置 300mA 限流保護(hù)。試驗(yàn)中，輻照至 3×10? ion/cm2 時(shí)工作電流達(dá)限流值，停束后恢復(fù)正常；全程輸出電壓穩(wěn)定在 1.5V，未發(fā)生 SEL/SEB，SEL/SEB LET 閾值大于 37.4 MeV?cm2/mg。

2.2.3 質(zhì)子單粒子試驗(yàn)

依據(jù) GJB 548B-2005 標(biāo)準(zhǔn)，采用 100 MeV 質(zhì)子輻照，注量率 1×10? P?cm?2?S?1，總注量 1×101? ion/cm2。試驗(yàn)環(huán)境溫度 15℃~35℃，靜電防護(hù)滿足 GB/T 32304 要求。結(jié)果顯示，芯片工作電流、輸出電壓無異常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，驗(yàn)證了低 LET 值輻射環(huán)境下的穩(wěn)定性。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

ASP4644S2B 的 SEE 測(cè)試從結(jié)構(gòu)完整性、高 / 低 LET 值抗輻射能力三個(gè)維度完成表征。重離子測(cè)試確定了 SEL/SEB 閾值上限，質(zhì)子測(cè)試貼近近地軌道實(shí)際環(huán)境，DPA 為后續(xù)測(cè)試提供基礎(chǔ)保障。測(cè)試中觀察到的瞬時(shí)電流增大可通過停束恢復(fù)，表明芯片內(nèi)部保護(hù)機(jī)制與抗輻射設(shè)計(jì)有效協(xié)同，其抗單粒子性能優(yōu)于同類商業(yè)航天級(jí)芯片。

三、星載電源管理芯片 TID 測(cè)試方法與試驗(yàn)分析

3.1 TID 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與核心要求

TID 測(cè)試采用鈷 60γ 射線源，依據(jù) QJ 10004A-2018 標(biāo)準(zhǔn)，劑量率選擇 0.01~100 rad (Si)/s，總劑量需覆蓋預(yù)期壽命累積劑量；試驗(yàn)流程包括預(yù)處理、初始測(cè)試、輻照、中間測(cè)試、退火與最終測(cè)試；失效判據(jù)為關(guān)鍵參數(shù)變化量不超過初始值 ±10%，核心監(jiān)測(cè)輸入輸出電壓、靜態(tài)電流、調(diào)整率等參數(shù)。

3.2 ASP4644S2B 芯片 TID 測(cè)試實(shí)施與結(jié)果

試驗(yàn)采用鈷 60γ 射線源，劑量率 25 rad (Si)/s，總劑量 125 krad (Si)（含 50% 過輻照）。偏置條件為 12V 輸入，四通道輸出 3.3V、2.5V、1.5V、1.2V，空載測(cè)試。初始測(cè)試中，輸入電流 72mA，輸出電壓 1.5V，線性調(diào)整率 0.03%，負(fù)載調(diào)整率 0.4%，輸出紋波 4.5mV；輻照后及室溫退火 168h 后，各項(xiàng)參數(shù)無明顯變化，變化量均小于 ±1%，抗總劑量指標(biāo)大于 125 krad (Si)，滿足商業(yè)航天級(jí)要求。

3.3 測(cè)試結(jié)果分析

ASP4644S2B 優(yōu)異的抗 TID 性能源于 SMIC .18BCD 工藝的氧化層優(yōu)化設(shè)計(jì)、LDO 模塊抗輻射加固及封裝材料的屏蔽作用。高劑量率測(cè)試與過輻照設(shè)置提高了結(jié)果可靠性，其抗總劑量能力可滿足近地軌道 5~10 年服役需求，甚至適配部分地球同步軌道應(yīng)用。

四、星載電源管理芯片在軌可靠性評(píng)估與應(yīng)用拓展

4.1 在軌可靠性評(píng)估體系

評(píng)估指標(biāo)包括性能指標(biāo)（電壓穩(wěn)定性、電流波動(dòng)、輸出紋波）與可靠性指標(biāo)（MTBF、失效率）；數(shù)據(jù)通過航天器遙測(cè)系統(tǒng)采集；采用統(tǒng)計(jì)分析與趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)合的方法，以地面測(cè)試參數(shù)為基準(zhǔn)，判斷在軌表現(xiàn)是否符合要求。

4.2 ASP4644S2B 在軌應(yīng)用與驗(yàn)證

該芯片應(yīng)用于 “天儀 29 星”“天儀 35 星”，2025 年 5 月發(fā)射入近地軌道，為高光譜成像處理板、數(shù)據(jù)傳輸板供電。截至 2025 年 12 月，在軌穩(wěn)定運(yùn)行 7 個(gè)月，輸入電壓波動(dòng) 10V~12V，輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值 ±0.01V，電流均流誤差小于 ±5%；遭遇 3 次太陽質(zhì)子事件，累積輻射劑量 12krad (Si)，性能無異常。評(píng)估得 MTBF 大于 1×10?小時(shí)，失效率小于 1×10??/ 小時(shí)，5 年在軌失效概率小于 0.05%。

4.3 多場(chǎng)景應(yīng)用適配性分析

4.3.1 商業(yè)航天領(lǐng)域

1. 小衛(wèi)星星座：BGA77 封裝（9mm×15mm×4.46mm）集成度高，四通道并聯(lián)輸出滿足多載荷供電，抗輻射設(shè)計(jì)降低任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，適配通信、遙感小衛(wèi)星星座。
2. CubeSat：寬輸入電壓適配太陽能電池陣，低輸出紋波滿足精密載荷需求，保護(hù)功能提高容錯(cuò)能力，可應(yīng)用于 1U~3U CubeSat。
3. 深空探測(cè)：寬溫范圍（-55℃~+125℃）與抗總劑量能力，經(jīng)屏蔽優(yōu)化后可適配月球、火星探測(cè)任務(wù)。

4.3.2 車載電子領(lǐng)域

通過 AEC-Q104 Grade1 認(rèn)證，寬輸入電壓適配新能源汽車 BMS 供電，多通道輸出滿足傳感器、控制器需求；過溫保護(hù)（結(jié)溫 160℃關(guān)閉）適應(yīng)電池包高溫環(huán)境，抗電磁干擾設(shè)計(jì)適配車載復(fù)雜環(huán)境，可應(yīng)用于動(dòng)力電池管理系統(tǒng)與車載雷達(dá)、攝像頭電源模塊。

4.3.3 工業(yè)與極端環(huán)境領(lǐng)域

單通道 4A、四通道 16A 輸出能力滿足工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)需求，寬溫特性適配工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境；抗輻射與強(qiáng)保護(hù)功能使其可應(yīng)用于核反應(yīng)堆監(jiān)測(cè)、極地環(huán)境監(jiān)測(cè)等極端場(chǎng)景，適配太陽能、蓄電池等多種供電方式。

五、結(jié)論與展望

1. 星載電源管理芯片 SEE/TID 測(cè)試需遵循 GJB、QJ 系列標(biāo)準(zhǔn)，采用 “DPA + 重離子 + 質(zhì)子 + TID” 全鏈條測(cè)試體系，可全面表征抗輻射性能。
2. ASP4644S2B 芯片 SEL/SEB LET 閾值大于 37.4 MeV?cm2/mg，抗總劑量能力大于 125 krad (Si)，破壞性物理分析驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)完整性，抗輻射性能優(yōu)異。
3. 在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，芯片供電穩(wěn)定、輻射適應(yīng)性強(qiáng)，MTBF 大于 1×10?小時(shí)，滿足星載通信載荷長(zhǎng)期可靠需求。
4. 芯片憑借寬輸入電壓、多通道輸出、多領(lǐng)域認(rèn)證優(yōu)勢(shì)，在商業(yè)航天、車載電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域具備廣闊應(yīng)用前景。

未來可優(yōu)化先進(jìn)工藝芯片的 SEE/TID 測(cè)試方法，開發(fā)多因素耦合測(cè)試技術(shù)；結(jié)合在軌大數(shù)據(jù)與 AI 技術(shù)，完善可靠性預(yù)測(cè)模型；推動(dòng)抗輻射設(shè)計(jì)與測(cè)試一體化，降低研發(fā)成本；制定跨領(lǐng)域應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)航天級(jí)芯片技術(shù)向車載、工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，助力高端電子制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

審核編輯 黃宇