摘要

隨著商業(yè)航天和核電站等高輻射環(huán)境對電子元器件可靠性和安全性的要求日益提高，抗輻照MCU（微控制單元）成為研究的熱點。本文以國科安芯推出的AS32S601ZIT2型MCU為研究對象，結(jié)合質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗、總劑量效應(yīng)試驗和脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗的詳細(xì)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了該器件在高輻射環(huán)境中的抗輻照性能，并探討了其在商業(yè)航天、核電站等高輻射環(huán)境中的應(yīng)用潛力。

1. 引言

在現(xiàn)代科技領(lǐng)域，商業(yè)航天和核電站等高輻射環(huán)境對電子元器件的可靠性和抗輻照能力提出了極高的要求。MCU作為電子系統(tǒng)的核心部件，其性能直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。高輻射環(huán)境中的電子元器件可能受到單粒子效應(yīng)（Single Event Effect, SEE）和總劑量效應(yīng)（Total Ionizing Dose, TID）的影響，導(dǎo)致功能異常或性能退化。因此，對MCU的抗輻照性能進(jìn)行系統(tǒng)評估，對于其在高輻射環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要。

AS32S601ZIT2型MCU是一款基于32位RISC-V指令集的高性能MCU，專為高安全性需求場景設(shè)計。其采用先進(jìn)的抗輻照加固技術(shù)，顯著提升了在高輻射環(huán)境中的可靠性。本文通過對質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗、總劑量效應(yīng)試驗及脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗的詳細(xì)分析，探討了AS32S601ZIT2型MCU在商業(yè)航天和核電站中的應(yīng)用潛力，并結(jié)合技術(shù)背景和應(yīng)用需求，提出了其在高輻射環(huán)境中的適用性建議。

2. 高輻射環(huán)境對MCU的挑戰(zhàn)

2.1 單粒子效應(yīng)（SEE）

單粒子效應(yīng)是由高能粒子（如質(zhì)子、重離子）與半導(dǎo)體器件相互作用引發(fā)的功能異?，F(xiàn)象。根據(jù)效應(yīng)類型，單粒子效應(yīng)可分為以下幾種：

單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU） ：高能粒子導(dǎo)致存儲單元中的比特發(fā)生翻轉(zhuǎn)；

單粒子鎖定（SEL） ：高能粒子引發(fā)器件內(nèi)部短路，導(dǎo)致電流劇增；

單粒子瞬態(tài)（SET） ：高能粒子引發(fā)短時間的邏輯狀態(tài)擾動。

單粒子效應(yīng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)功能異常，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故。因此，對MCU的單粒子效應(yīng)防護(hù)能力進(jìn)行評估，是其在高輻射環(huán)境中應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.2 總劑量效應(yīng)（TID）

總劑量效應(yīng)是指器件在長期累積輻射劑量作用下性能逐漸退化的現(xiàn)象?？倓┝啃?yīng)可能導(dǎo)致以下問題：

晶體管閾值電壓漂移；

漏電流增加；

器件速度下降。

總劑量效應(yīng)的影響通常與輻射劑量呈正相關(guān)，因此在核電站等長期運行的高輻射環(huán)境中，MCU的抗總劑量效應(yīng)能力至關(guān)重要。

3. AS32S601ZIT2型MCU的技術(shù)特征

3.1 器件概述

AS32S601ZIT2型MCU是一款專為高安全性需求場景設(shè)計的32位RISC-V指令集MCU，具有以下技術(shù)特征：

工作頻率 ：高達(dá)180MHz；

工作電壓 ：支持2.7V~5.5V寬電壓范圍；

存儲資源 ：512KiB SRAM（帶ECC）、512KiB D-Flash（帶ECC）、2MiB P-Flash（帶ECC）；

模擬與數(shù)字接口 ：3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），支持48通道模擬通路；2個模擬比較器（ACMP）；2個8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）；1個溫度傳感器；

通信接口 ：6路SPI，支持主從模式，速率最高可達(dá)30MHz；4路CAN，支持CANFD；4路USART模塊，支持LIN模式和同步串口模式；2路IIC，支持主從模式；

封裝形式 ：LQFP144；

工作溫度范圍 ：-55℃~+125℃；

功能安全等級 ：符合ASIL-B標(biāo)準(zhǔn)；

抗輻照設(shè)計 ：內(nèi)置ECC功能，優(yōu)化電路架構(gòu)以降低單粒子效應(yīng)風(fēng)險。

3.2 抗輻照設(shè)計細(xì)節(jié)

AS32S601ZIT2型MCU采用了多項抗輻照技術(shù)，以提升其在高輻射環(huán)境中的可靠性：

ECC（糾錯碼）功能 ：用于檢測和糾正存儲單元中的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU），確保數(shù)據(jù)完整性；

電路優(yōu)化 ：通過優(yōu)化電路布局和設(shè)計，降低單粒子鎖定（SEL）的風(fēng)險；

總劑量效應(yīng)防護(hù) ：采用抗輻照材料和工藝，提升器件在長期輻射環(huán)境中的穩(wěn)定性；

功能安全設(shè)計 ：符合ASIL-B功能安全等級，確保系統(tǒng)在異常情況下的安全性。

4. 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗分析

4.1 試驗背景與目的

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗旨在評估MCU在高能質(zhì)子輻照下的單粒子效應(yīng)敏感度。質(zhì)子是高能粒子中的一種典型代表，其能量和通量對半導(dǎo)體器件的單粒子效應(yīng)具有顯著影響。通過質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗，可以量化器件在高輻射環(huán)境中的可靠性。

4.2 試驗方法與條件

試驗在中國原子能科學(xué)研究院的100MeV質(zhì)子回旋加速器上進(jìn)行，試驗條件如下：

質(zhì)子能量 ：100MeV；

注量率 ：1×10^7 p/cm2/s；

總注量 ：1×10^10 p/cm2；

環(huán)境溫度 ：15℃~35℃；

相對濕度 ：20%~80%；

測試參數(shù) ：工作電流、功能狀態(tài)、存儲單元數(shù)據(jù)完整性。

4.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示：

在100MeV質(zhì)子輻照下，AS32S601ZIT2型MCU未出現(xiàn)單粒子鎖定（SEL）或單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象；

器件功能正常，工作電流穩(wěn)定，未發(fā)生異常波動；

存儲單元數(shù)據(jù)完整，未檢測到單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）。

通過與同類MCU的對比分析，AS32S601ZIT2型MCU在質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗中表現(xiàn)出顯著的抗輻照優(yōu)勢。其單粒子效應(yīng)敏感度遠(yuǎn)低于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，表明其在高輻射環(huán)境中的可靠性較高。

4.4 技術(shù)討論

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗結(jié)果表明，AS32S601ZIT2型MCU的抗輻照設(shè)計能夠有效抵御高能質(zhì)子的干擾。ECC功能在存儲單元數(shù)據(jù)保護(hù)中發(fā)揮了重要作用，而優(yōu)化的電路架構(gòu)顯著降低了單粒子鎖定的風(fēng)險。這些技術(shù)優(yōu)勢使其在商業(yè)航天和核電站等高輻射環(huán)境中具有廣闊的應(yīng)用前景。

5. 總劑量效應(yīng)試驗分析

5.1 試驗背景與目的

總劑量效應(yīng)試驗旨在評估MCU在長期累積輻射劑量作用下的性能穩(wěn)定性?？倓┝啃?yīng)可能導(dǎo)致器件功能退化甚至失效，因此對其抗總劑量能力進(jìn)行評估是高輻射環(huán)境中MCU應(yīng)用的關(guān)鍵。

5.2 試驗方法與條件

試驗在北京大學(xué)技術(shù)物理系的鈷60γ射線輻照平臺上進(jìn)行，試驗條件如下：

輻照源 ：鈷60γ射線；

劑量率 ：25rad(Si)/s；

總劑量 ：150krad(Si)；

環(huán)境溫度 ：24℃±6℃；

測試參數(shù) ：工作電流、功能狀態(tài)、存儲單元數(shù)據(jù)完整性。

5.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果表明：

在150krad(Si)的總劑量輻照后，AS32S601ZIT2型MCU的功能和電參數(shù)均保持穩(wěn)定；

工作電流從135mA略微降至132mA，變化幅度在可接受范圍內(nèi)；

CAN接口和FLASH/RAM的擦寫功能正常，未受輻照影響；

存儲單元數(shù)據(jù)完整，未檢測到單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）。

5.4 技術(shù)討論

總劑量效應(yīng)試驗結(jié)果表明，AS32S601ZIT2型MCU在長期累積輻射劑量作用下表現(xiàn)出卓越的性能穩(wěn)定性。其抗總劑量能力大于150krad(Si)，顯著高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。這一結(jié)果歸功于其抗輻照材料和工藝的優(yōu)化設(shè)計，使其能夠在核電站等長期運行的高輻射環(huán)境中保持可靠性。

6. 脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗分析

6.1 試驗背景與目的

脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗通過模擬高能粒子的線性能量傳輸（LET），評估MCU的抗單粒子效應(yīng)能力。激光試驗具有高精度和可重復(fù)性，是研究單粒子效應(yīng)的重要手段。

6.2 試驗方法與條件

試驗在北京中科芯試驗空間科技有限公司的脈沖激光實驗室進(jìn)行，試驗條件如下：

激光能量范圍 ：120pJ~1830pJ；

LET值范圍 ：5MeV·cm2/mg~75MeV·cm2/mg；

注量率 ：1×10^7 cm2；

環(huán)境溫度 ：24℃；

濕度 ：42%RH；

測試參數(shù) ：工作電流、功能狀態(tài)、存儲單元數(shù)據(jù)完整性。

6.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果顯示：

在120pJ（對應(yīng)LET值為5MeV·cm2/mg）的激光能量下，未觀察到單粒子效應(yīng)；

當(dāng)激光能量提升至1585pJ（對應(yīng)LET值為75MeV·cm2/mg）時，監(jiān)測到單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象；

器件在出現(xiàn)SEU后迅速恢復(fù)功能，未發(fā)生永久性損壞；

存儲單元數(shù)據(jù)在SEU發(fā)生后通過ECC功能自動修復(fù)。

6.4 技術(shù)討論

脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗結(jié)果表明，AS32S601ZIT2型MCU在高LET值條件下的抗單粒子效應(yīng)能力較強。其單粒子翻轉(zhuǎn)閾值高于大多數(shù)商業(yè)MCU，表明其在高輻射環(huán)境中的可靠性較高。ECC功能在數(shù)據(jù)修復(fù)中發(fā)揮了重要作用，顯著提升了器件的魯棒性。

7. 應(yīng)用場景分析

7.1 商業(yè)航天

商業(yè)航天領(lǐng)域?qū)﹄娮釉骷目馆椪漳芰σ髽O高，尤其是在衛(wèi)星、航天器等長期運行的系統(tǒng)中。AS32S601ZIT2型MCU憑借其優(yōu)異的抗單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)性能，可應(yīng)用于以下場景：

7.1.1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要MCU具備高數(shù)據(jù)處理能力和抗輻照性能。AS32S601ZIT2型MCU的高工作頻率（180MHz）和豐富的存儲資源（512KiB SRAM、2MiB P-Flash）使其能夠高效處理大量數(shù)據(jù)。同時，其抗單粒子效應(yīng)能力確保了在太空環(huán)境中的可靠性。

7.1.2 航天器導(dǎo)航系統(tǒng)

航天器導(dǎo)航系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和處理的精度要求極高。AS32S601ZIT2型MCU的3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和2個模擬比較器（ACMP）可實現(xiàn)高精度的信號采集，而其內(nèi)置的ECC功能則進(jìn)一步提升了數(shù)據(jù)的可靠性。

7.2 核電站

核電站的控制系統(tǒng)對電子元器件的可靠性和抗輻照能力也有嚴(yán)格要求。AS32S601ZIT2型MCU在核電站中的潛在應(yīng)用場景包括：

7.2.1 反應(yīng)堆控制系統(tǒng)

反應(yīng)堆控制系統(tǒng)需要實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)核反應(yīng)堆的運行狀態(tài)，以確保安全運行。AS32S601ZIT2型MCU的高工作頻率和強大的數(shù)據(jù)處理能力使其能夠快速響應(yīng)控制需求。其抗總劑量效應(yīng)能力（大于150krad(Si)）確保了在長期輻射環(huán)境中的穩(wěn)定性。

7.2.2 輻射監(jiān)測系統(tǒng)

輻射監(jiān)測系統(tǒng)需要高精度的數(shù)據(jù)采集和處理能力。AS32S601ZIT2型MCU的3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和1個溫度傳感器可實現(xiàn)對輻射強度、溫度等參數(shù)的高精度監(jiān)測。其抗輻照性能確保了在高輻射環(huán)境中的可靠性。

8. 結(jié)論

AS32S601ZIT2型MCU通過質(zhì)子單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)和脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗，展現(xiàn)出卓越的抗輻照性能和高安全性。其在商業(yè)航天和核電站等高輻射環(huán)境中的應(yīng)用潛力巨大，可顯著提升系統(tǒng)的可靠性和安全性。未來，隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，AS32S601ZIT2型MCU有望成為高安全性電子系統(tǒng)的核心部件。

審核編輯 黃宇