摘要： 隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，空間電子設(shè)備面臨著日益復(fù)雜和嚴(yán)苛的輻射環(huán)境挑戰(zhàn)。單粒子效應(yīng)（SEE）作為輻射環(huán)境對半導(dǎo)體器件影響的主要形式之一，極大地影響著航天電子系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本文通過系統(tǒng)梳理國科安芯推出的ASP4644S2B型DC/DC降壓穩(wěn)壓器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與在軌應(yīng)用表現(xiàn)，深入探討了其在空間輻射環(huán)境下的抗單粒子效應(yīng)能力。結(jié)合破壞性物理分析、自主可控等級評估、質(zhì)子及重離子單粒子試驗(yàn)、總劑量效應(yīng)試驗(yàn)等多維度研究成果，本文旨在為太空任務(wù)中電源管理芯片的選型提供科學(xué)依據(jù)，并為抗輻射芯片技術(shù)的發(fā)展提供參考。

一、引言

在太空探索的進(jìn)程中，電子設(shè)備作為航天器的核心組成部分，其性能與可靠性直接影響著任務(wù)的成敗。然而，空間環(huán)境中的高能粒子輻射會對電子元器件產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，引發(fā)設(shè)備性能下降甚至永久性損壞。因此，研究和開發(fā)具有高抗輻射能力的電子芯片，對于保障航天任務(wù)的順利進(jìn)行具有至關(guān)重要的意義。

ASP4644S2B作為一款由國科安芯研發(fā)的抗輻射DC/DC電源芯片，憑借其優(yōu)異的抗輻射性能和可靠性，在航天領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。本文將從芯片技術(shù)特點(diǎn)、單粒子效應(yīng)試驗(yàn)方法與結(jié)果分析、在軌應(yīng)用驗(yàn)證以及抗輻射芯片技術(shù)發(fā)展等多個角度對其進(jìn)行深度解析。

二、芯片概述與技術(shù)特點(diǎn)

（一）芯片基本特性

ASP4644S2B是一款四通道輸出的DC/DC降壓穩(wěn)壓器，采用BGA77封裝形式。其輸入電壓范圍為4V14V，每通道可輸出0.6V5.5V的電壓，最大可驅(qū)動4A的負(fù)載。芯片具備過流、過溫、短路保護(hù)以及輸出跟蹤等功能，適用于多種復(fù)雜工況。

（二）抗輻射設(shè)計(jì)

ASP4644S2B的抗輻射能力源于其內(nèi)部的抗輻照設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化電路布局、增強(qiáng)敏感節(jié)點(diǎn)防護(hù)以及采用高抗輻射材料等手段，該芯片在單粒子效應(yīng)閾值方面達(dá)到了企業(yè)宇航級標(biāo)準(zhǔn)（SEU≥75MeV·cm2/mg或10??次/器件·天，SEL≥75MeV·cm2/mg），能夠滿足多數(shù)太空任務(wù)的需求。

（三）應(yīng)用領(lǐng)域與優(yōu)勢

在航天領(lǐng)域，電源管理芯片的性能直接關(guān)系到衛(wèi)星、探測器等設(shè)備的正常運(yùn)行。ASP4644S2B憑借其寬輸入電壓范圍、高輸出精度、快速瞬態(tài)響應(yīng)以及強(qiáng)大的抗輻射能力，在高光譜地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星、光學(xué)遙感衛(wèi)星等多種航天器中得到了應(yīng)用，為處理和分析板提供了穩(wěn)定可靠的電源支持。

三、單粒子效應(yīng)試驗(yàn)方法與評估體系

（一）破壞性物理分析（DPA）

依據(jù)GJB4027B-2021標(biāo)準(zhǔn)，對ASP4644S2B進(jìn)行了包括外部目檢、X光檢查、聲學(xué)掃描顯微鏡檢查和內(nèi)部目檢等在內(nèi)的一系列DPA測試。測試結(jié)果表明，芯片封裝完整，內(nèi)部結(jié)構(gòu)無異常，鍵合強(qiáng)度符合工程觀察要求，為芯片的可靠性奠定了基礎(chǔ)。

（二）自主可控等級評估

按照ZKB3101-001-2022《軍用電子元器件自主可控評估通用準(zhǔn)則》及《軍用電子元器件自主可控評估實(shí)施指南》，對ASP4644S2B的自主可控等級進(jìn)行了評估。評估涵蓋原材料供應(yīng)、生產(chǎn)工藝、技術(shù)狀態(tài)等多個維度，結(jié)果顯示其自主可控等級為C級，表明其在關(guān)鍵原材料和零部件的自主供應(yīng)能力以及生產(chǎn)過程的可控性方面達(dá)到了較高水平。

（三）單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

重離子單粒子試驗(yàn) ：依據(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》，使用Ge離子（LET值37.4MeV·cm2/mg，注量8.3×10?ion/cm2）對ASP4644S2B進(jìn)行輻照。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在規(guī)定的輻照條件下，芯片未發(fā)生單粒子鎖定或單粒子燒毀現(xiàn)象。

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn) ：根據(jù)《宇航用半導(dǎo)體器件質(zhì)子單粒子實(shí)驗(yàn)方法》，利用100MeV質(zhì)子回旋加速器開展試驗(yàn)，注量率為1e7，總注量為1e10。試驗(yàn)表明，ASP4644S2B器件功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。

（四）總劑量效應(yīng)試驗(yàn)

參照GJB548C-2023《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》以及QJ10004A-2018《宇航用半導(dǎo)體器件總劑量輻照試驗(yàn)方法》，對ASP4644S2B進(jìn)行了總劑量效應(yīng)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用鈷60γ射線源，劑量率為25rad(Si)/s，總劑量達(dá)到125krad(Si)。測試數(shù)據(jù)表明，芯片在輻照前后的電參數(shù)和功能均保持正常，顯示出良好的抗總劑量輻照能力。

四、試驗(yàn)結(jié)果分析

（一）單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

重離子單粒子試驗(yàn)結(jié)果 ：在重離子單粒子試驗(yàn)中，ASP4644S2B在LET值為37.4MeV·cm2/mg、注量8.3×10?ion/cm2的Ge離子輻照下，未出現(xiàn)功能異常。工作電流雖隨輻照注量增加而緩慢上升，但在停束觀察時能夠恢復(fù)，且輸出電壓始終保持穩(wěn)定。這表明芯片內(nèi)部的防護(hù)設(shè)計(jì)能夠有效抵御重離子引起的電荷沉積，避免引發(fā)災(zāi)難性故障。

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果 ：質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，在100MeV質(zhì)子輻照下，ASP4644S2B的功能正常，無單粒子效應(yīng)發(fā)生。這說明其在面對質(zhì)子輻射時，同樣具備較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠保證在復(fù)雜的空間輻射環(huán)境中的穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）總劑量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

總劑量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，ASP4644S2B抗總劑量輻照指標(biāo)大于125krad(Si)。在經(jīng)歷高達(dá)125krad(Si)的鈷60γ射線輻照后，芯片的輸入輸出電參數(shù)未發(fā)生顯著變化，功能正常。這表明其在長期累積輻射環(huán)境下，仍能保持良好的性能，為太空任務(wù)的長期可靠性提供了有力保障。

五、在軌應(yīng)用驗(yàn)證

ASP4644S2B芯片已在地質(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”中搭載應(yīng)用。自2025年5月發(fā)射入軌以來，芯片運(yùn)行穩(wěn)定，供電正常，成功為衛(wèi)星的部分處理和分析板提供了可靠的電源支持。實(shí)際在軌數(shù)據(jù)與地面試驗(yàn)結(jié)果相互印證，進(jìn)一步證實(shí)了其在真實(shí)空間環(huán)境中的卓越性能和可靠性。

（一）在軌運(yùn)行環(huán)境與挑戰(zhàn)

在軌運(yùn)行期間，衛(wèi)星面臨著復(fù)雜多變的空間輻射環(huán)境，包括高能質(zhì)子、電子以及重離子等粒子的輻射。這些粒子可能引發(fā)單粒子效應(yīng)，導(dǎo)致電子設(shè)備出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、鎖定甚至燒毀等故障。此外，長期的累積輻射效應(yīng)也會對芯片的性能產(chǎn)生影響。ASP4644S2B在如此嚴(yán)苛的環(huán)境下，依然能夠穩(wěn)定運(yùn)行，充分展示了其強(qiáng)大的抗輻射能力。

（二）應(yīng)用表現(xiàn)與性能評估

在軌應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示，ASP4644S2B芯片在衛(wèi)星的電源管理系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其四通道輸出設(shè)計(jì)能夠滿足衛(wèi)星多個處理和分析模塊的供電需求，輸出電壓穩(wěn)定，紋波低，為衛(wèi)星的正常運(yùn)行提供了有力保障。同時，芯片的過流、過溫、短路保護(hù)功能有效提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了因電源故障導(dǎo)致衛(wèi)星任務(wù)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

六、抗輻射芯片技術(shù)發(fā)展與展望

（一）抗輻射芯片技術(shù)現(xiàn)狀

目前，抗輻射芯片技術(shù)已成為航天電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。各國紛紛加大研發(fā)投入，致力于開發(fā)具有更高抗輻射能力、更低功耗、更小尺寸的芯片。從技術(shù)路線來看，主要包括兩大方向：一是通過改進(jìn)半導(dǎo)體工藝，如使用SOI（絕緣體上硅）、SiC（碳化硅）等材料，提高芯片的抗輻射性能；二是采用抗輻射加固設(shè)計(jì)技術(shù)，如冗余設(shè)計(jì)、屏蔽技術(shù)等，增強(qiáng)芯片在輻射環(huán)境下的可靠性。

（二）ASP4644S2B的技術(shù)創(chuàng)新與貢獻(xiàn)

ASP4644S2B的成功研發(fā)與應(yīng)用，為我國抗輻射芯片技術(shù)的發(fā)展提供了有益的借鑒和參考。其在抗單粒子效應(yīng)方面的優(yōu)異表現(xiàn)，得益于一系列技術(shù)創(chuàng)新。例如，在芯片內(nèi)部布局優(yōu)化方面，通過合理規(guī)劃敏感電路的位置，減少其受高能粒子輻射的概率；在防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用多層屏蔽技術(shù)，有效阻擋粒子的穿透；在電路設(shè)計(jì)上，引入冗余設(shè)計(jì)和錯誤檢測糾正機(jī)制，提高了芯片在單粒子效應(yīng)發(fā)生時的自我修復(fù)能力。

（三）未來發(fā)展方向與挑戰(zhàn)

未來，隨著太空探索任務(wù)的不斷深入和復(fù)雜化，對電源管理芯片的抗輻射能力將提出更高的要求。一方面，芯片需要具備更強(qiáng)的抗單粒子效應(yīng)能力，以應(yīng)對更高能粒子的輻射威脅；另一方面，芯片的集成度、功耗和成本等方面也需要不斷優(yōu)化，以滿足航天任務(wù)對小型化、高性能、低成本電子設(shè)備的需求。此外，隨著商業(yè)航天的興起，抗輻射芯片市場將迎來更廣闊的發(fā)展空間，但也面臨著更激烈的競爭挑戰(zhàn)。

七、結(jié)論

通過對ASP4644S2B型DC/DC降壓穩(wěn)壓器在單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)試驗(yàn)中的表現(xiàn)，以及在軌應(yīng)用數(shù)據(jù)的深入分析，可以得出以下結(jié)論：

ASP4644S2B芯片在單粒子效應(yīng)試驗(yàn)中表現(xiàn)出色，能夠在重離子和質(zhì)子輻射環(huán)境下保持功能正常，未出現(xiàn)單粒子鎖定或單粒子燒毀等故障，其單粒子效應(yīng)閾值滿足企業(yè)宇航級標(biāo)準(zhǔn)要求。

在總劑量效應(yīng)試驗(yàn)中，芯片展現(xiàn)了良好的抗總劑量輻照能力，抗總劑量輻照指標(biāo)大于125krad(Si)，在經(jīng)歷長期累積輻射后仍能保持穩(wěn)定的性能。

在軌應(yīng)用驗(yàn)證進(jìn)一步證實(shí)了ASP4644S2B芯片的可靠性和穩(wěn)定性，其在地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星和光學(xué)遙感衛(wèi)星中的成功應(yīng)用，為該芯片在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

審核編輯 黃宇