摘要

隨著航天技術(shù)的不斷進步，電子元器件在太空環(huán)境中的可靠性愈發(fā)關(guān)鍵?？臻g輻射環(huán)境復雜多變，對電子器件的性能構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)。本文分析了國科安芯推出的ASP4644S2B型DCDC降壓穩(wěn)壓器的抗輻照性能，包括地面試驗與在軌驗證兩部分。通過總劑量效應試驗、單粒子效應試驗和質(zhì)子輻照試驗，系統(tǒng)評估了其在復雜空間輻射環(huán)境下的可靠性。結(jié)合在軌運行數(shù)據(jù)，進一步驗證了其性能穩(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。本文為國產(chǎn)化航天芯片的抗輻照性能評估提供了重要參考。

1. 引言

空間輻射環(huán)境對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、單粒子效應和位移損傷等。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雜空間環(huán)境中的正常運行，地面試驗與在軌驗證成為不可或缺的環(huán)節(jié)。

ASP4644S2B是國科安芯研發(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)動電流達4A。其具備過流、過溫、短路保護和輸出跟蹤功能，適用于商業(yè)航天及宇航領(lǐng)域。

2. 地面試驗設計與結(jié)果分析

2.1 總劑量效應試驗

2.1.1 試驗目的與依據(jù)

總劑量效應試驗用于評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《微電子器件試驗方法和程序》及QJ10004A-2018《宇航用半導體器件總劑量輻照試驗方法》，ASP4644S2B的總劑量效應試驗在北京大學技術(shù)物理系鈷60γ射線源平臺上開展。試驗劑量率設置為25 rad(Si)/s，輻照總劑量為125 krad(Si)。

2.1.2 試驗過程與數(shù)據(jù)采集

試驗樣品為單只ASP4644S2B芯片，封裝形式為BGA77。輻照前，對樣品進行了常溫下的功能測試，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，設置輸出電壓為3.3V、2.5V、1.5V及1.2V，空載條件下進行測試。輻照完成后，對樣品進行退火處理（高溫退火168小時），并在室溫下進行功能復測。

2.1.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示，ASP4644S2B在輻照劑量達到125 krad(Si)時，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，功能測試結(jié)果合格。結(jié)果表明，ASP4644S2B具備較強的抗總劑量輻照能力。

2.2 重離子單粒子效應試驗

2.2.1 試驗目的與依據(jù)

單粒子效應試驗用于評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《宇航用半導體器件重離子單粒子效應試驗指南》，試驗在中國科學院國家空間科學中心可靠性與環(huán)境試驗中心完成。

2.2.2 試驗條件與過程

試驗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。試驗過程中，對樣品的工作電流及輸出電壓進行實時監(jiān)測。

2.2.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示，在輻照注量達到8.3×10? ion/cm2時，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，器件工作電流恢復至正常水平。試驗表明，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)子單粒子效應試驗

2.3.1 試驗目的與依據(jù)

質(zhì)子單粒子效應試驗用于評估器件在質(zhì)子輻照環(huán)境下的抗輻照能力。根據(jù)《宇航用半導體器件質(zhì)子單粒子實驗方法》，試驗在北京中科芯試驗空間科技有限公司完成。

2.3.2 試驗條件與過程

試驗采用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。樣品設置為12V偏置條件，輸出電壓為1.5V。試驗過程中，對樣品的工作電流及輸出電壓進行監(jiān)測。

2.3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(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）。試驗后，樣品功能正常，未發(fā)生單粒子效應。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. 在軌驗證與性能表現(xiàn)

3.1 在軌驗證背景

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)遙感及光學遙感任務，對電源芯片的穩(wěn)定性及可靠性提出了嚴格要求。

3.2 在軌運行情況

根據(jù)長沙天儀空間科技研究院有限公司提供的在軌運行數(shù)據(jù)，ASP4644S2B芯片在軌運行穩(wěn)定，供電功能正常，輸出電壓及電流均符合設計要求。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)的抗輻照設計需求。

3.3 在軌驗證結(jié)果分析

在軌運行數(shù)據(jù)表明，ASP4644S2B在實際空間輻射環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照性能，與地面試驗結(jié)果一致。這進一步驗證了其在復雜空間環(huán)境下的可靠性及穩(wěn)定性。

4. 抗輻照性能的機理分析

4.1 總劑量效應機理

總劑量效應主要由電離輻射引起的電荷積累導致器件性能退化。ASP4644S2B在設計中采用了優(yōu)化的電路布局和屏蔽措施，以減少電離輻射對敏感區(qū)域的影響。試驗結(jié)果顯示，其抗總劑量輻照能力達到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 重離子單粒子效應機理

單粒子效應由高能粒子穿過器件敏感區(qū)域引發(fā)，可能導致瞬時功能異?；蛴谰眯該p壞。ASP4644S2B通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和采用抗輻照設計工藝，顯著提高了單粒子效應閾值。試驗表明，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)子輻照效應機理

質(zhì)子輻照可能導致器件內(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)子輻照對其性能的影響。試驗結(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. 應用場景與技術(shù)挑戰(zhàn)

5.1 應用場景分析

ASP4644S2B在商業(yè)航天領(lǐng)域的應用主要包括以下場景：

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。

光學遙感衛(wèi)星 ：在光學遙感衛(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)

復雜空間環(huán)境適應性 ：空間輻射環(huán)境的多樣性和不可預測性對芯片的抗輻照設計提出了更高要求。

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

國產(chǎn)化替代的驗證 ：在國際供應鏈受限的背景下，國產(chǎn)化芯片的性能和可靠性驗證成為關(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、單粒子效應及質(zhì)子輻照試驗，并結(jié)合在軌運行數(shù)據(jù)對其性能進行了驗證。研究結(jié)果表明：

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

ASP4644S2B的成功研發(fā)及應用，為國產(chǎn)化航天芯片的抗輻照性能評估提供了重要參考。未來，隨著空間環(huán)境復雜性的增加，進一步優(yōu)化芯片的抗輻照設計及工藝將成為研究重點。同時，加強國產(chǎn)化替代及供應鏈體系建設，也將為我國航天事業(yè)的自主可控發(fā)展提供重要支撐。