摘要

隨著商業(yè)航天和高可靠應(yīng)用需求的蓬勃發(fā)展，空間輻射環(huán)境對(duì)電子設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，單粒子效應(yīng)和總劑量效應(yīng)是半導(dǎo)體器件在太空環(huán)境中面臨的主要輻射威脅，半導(dǎo)體器件的抗輻射能力成為決定其在嚴(yán)苛太空環(huán)境下可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素。本文以國(guó)科安芯推出的RISC-V架構(gòu)MCU芯片AS32S601ZIT2為例，分析了該MCU芯片在航天級(jí)輻射環(huán)境下的系列可靠性測(cè)試，包括質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、總劑量效應(yīng)試驗(yàn)以及單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)。通過(guò)詳盡的試驗(yàn)流程、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y(cè)試方法以及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的深入分析，本文旨在為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界提供一份關(guān)于該型號(hào)MCU抗輻射性能的系統(tǒng)性評(píng)估報(bào)告，助力于推動(dòng)高可靠半導(dǎo)體器件在航天領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

一、引言

在現(xiàn)代航天任務(wù)中，電子系統(tǒng)面臨著復(fù)雜而嚴(yán)苛的空間輻射環(huán)境，包括高能質(zhì)子、重離子以及伽馬射線等。這些輻射可能導(dǎo)致半導(dǎo)體器件出現(xiàn)單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)等輻射損傷，進(jìn)而引發(fā)器件性能退化甚至失效。因此，對(duì)航天級(jí)電子元器件進(jìn)行系統(tǒng)的抗輻射測(cè)試評(píng)估，是確保航天任務(wù)成功實(shí)施的必要環(huán)節(jié)。

AS32S601ZIT2型MCU作為一款基于32位RISC-V指令集的商業(yè)航天級(jí)MCU，憑借其高安全、低失效、多I/O以及低成本等特點(diǎn)，在商業(yè)航天、核電站等高安全需求場(chǎng)景中具有廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)其開(kāi)展系統(tǒng)的抗輻射測(cè)試研究，不僅有助于驗(yàn)證其在嚴(yán)苛輻射環(huán)境下的可靠性，還能為相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵依據(jù)。

二、器件概述

AS32S601ZIT2型MCU芯片采用LQFP144封裝形式，工作頻率高達(dá)180MHz，工作輸入電壓支持2.7V~5.5V，工作溫度范圍為-55℃~+125℃。芯片內(nèi)置512KiB帶ECC校正的內(nèi)部SRAM、512KiB帶ECC的D-Flash以及2MiB帶ECC的P-Flash，具備豐富的存儲(chǔ)資源。此外，該MCU集成了3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、2個(gè)模擬比較器（ACMP）、2個(gè)8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和1個(gè)溫度傳感器等模擬外設(shè)，以及6路SPI、4路CAN、4路USART、2路I2C等數(shù)字通信接口，符合AEC-Q100 grade1認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足多樣化應(yīng)用需求。

三、質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)?zāi)康呐c依據(jù)

質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)旨在評(píng)估AS32S601ZIT2型MCU在100MeV能量、1e7注量率以及1e10總注量條件下的單粒子效應(yīng)敏感度。該試驗(yàn)嚴(yán)格遵循GJB548B、GJB9397-2018、GB/T32304等多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保試驗(yàn)流程的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。

（二）試驗(yàn)流程與條件

試驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上進(jìn)行。試驗(yàn)前，對(duì)樣品進(jìn)行常溫測(cè)試，確認(rèn)其參數(shù)與功能正常。試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)板和電纜的電磁干擾、機(jī)械穩(wěn)定性等因素，并采用程控電源、PC等設(shè)備組成單粒子效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)板號(hào)為#3，質(zhì)子能量設(shè)定為100MeV，注量率為1e7，總注量達(dá)到1e10。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，AS32S601ZIT2型MCU功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)，成功通過(guò)質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，展現(xiàn)出卓越的抗單粒子效應(yīng)能力。

（三）結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的細(xì)致分析可知，該MCU在面對(duì)高能質(zhì)子輻照時(shí)，內(nèi)部電路未出現(xiàn)異常翻轉(zhuǎn)或鎖定現(xiàn)象，各項(xiàng)功能指標(biāo)穩(wěn)定，性能表現(xiàn)優(yōu)異。這一結(jié)果充分證明了其在航天任務(wù)中抵御單粒子輻射威脅的潛力，為在復(fù)雜空間輻射環(huán)境下的可靠應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

四、總劑量效應(yīng)試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)?zāi)康呐c依據(jù)

總劑量效應(yīng)試驗(yàn)的目的是確定AS32S601ZIT2型MCU抗總劑量輻照的能力。該試驗(yàn)依據(jù)GJB1649-1993、GJB2712-1996、GJB548C-2023等標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展，模擬器件在長(zhǎng)期累積輻射環(huán)境下的性能變化情況。

（二）試驗(yàn)流程與條件

試驗(yàn)在北京大學(xué)技術(shù)物理系的鈷源平臺(tái)上進(jìn)行，采用鈷60γ射線源作為輻照源，輻射場(chǎng)在試驗(yàn)樣品輻照面積內(nèi)的不均勻性小于10%。輻照劑量測(cè)試采用電離室、熱釋光劑量計(jì)等測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量不確定度小于5%。試驗(yàn)前對(duì)樣品進(jìn)行常溫功能測(cè)試，確認(rèn)其性能正常。輻照劑量率設(shè)定為25rad（Si）/s，總劑量依次達(dá)到100krad（Si）和150krad（Si），并在輻照后進(jìn)行室溫以及高溫退火處理后的功能參數(shù)測(cè)試。

（三）結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，AS32S601ZIT2型MCU在經(jīng)歷總劑量輻照后，其工作電流、CAN接口通信以及FLASH/RAM擦寫等功能均保持穩(wěn)定，未出現(xiàn)性能衰退或失效現(xiàn)象。即使在150krad（Si）的過(guò)輻照劑量以及高溫退火處理后，器件的性能與外觀依然合格。這一卓越的抗總劑量輻照能力使其能夠適應(yīng)航天任務(wù)中長(zhǎng)期累積輻射的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)，有力地保障了航天電子系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

五、單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)

（一）試驗(yàn)?zāi)康呐c依據(jù)

單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)通過(guò)模擬空間輻射環(huán)境中的重離子對(duì)器件的影響，進(jìn)一步評(píng)估AS32S601型MCU抗單粒子效應(yīng)的能力。該試驗(yàn)嚴(yán)格參照GB/T43967-2024、GJB10761-2022、QJ10005A-2018等標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，采用皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)裝置，以激光正面輻照試驗(yàn)方法對(duì)芯片進(jìn)行全面掃描。

（二）試驗(yàn)流程與條件

試驗(yàn)在中關(guān)村B481的脈沖激光單粒子效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，環(huán)境溫度為24℃，濕度為42%RH。試驗(yàn)設(shè)備主要包括皮秒脈沖激光單粒子效應(yīng)裝置、直流電源、電控平移臺(tái)等。在激光試驗(yàn)前，對(duì)芯片樣品進(jìn)行開(kāi)封裝處理，使其正面金屬管芯表面完全暴露。通過(guò)移動(dòng)觀測(cè)法測(cè)量樣品尺寸，并利用CCD成像確定樣品的長(zhǎng)寬。試驗(yàn)過(guò)程中，激光能量從120pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開(kāi)始，逐步提升至1830pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（75±18.75）MeV·cm2/mg），以全面評(píng)估芯片在不同能量條件下的單粒子效應(yīng)表現(xiàn)。

（三）結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)激光能量提升至1585pJ（對(duì)應(yīng)LET值為（75±16.25）MeV·cm2/mg）時(shí)，監(jiān)測(cè)到芯片發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）現(xiàn)象。這一結(jié)果為深入了解該MCU在單粒子輻射環(huán)境下的失效機(jī)理提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，有助于進(jìn)一步優(yōu)化器件設(shè)計(jì)，提升其抗單粒子效應(yīng)能力。同時(shí)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，可以為后續(xù)的航天任務(wù)中該MCU的應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)，制定相應(yīng)的防護(hù)措施以降低單粒子輻射對(duì)其工作可靠性的影響。

六、討論與展望

綜合上述系列抗輻射測(cè)試結(jié)果，AS32S601ZIT2型RISC-V架構(gòu)MCU在航天級(jí)輻射環(huán)境下展現(xiàn)出了卓越的可靠性與穩(wěn)定性。其在質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)、總劑量效應(yīng)試驗(yàn)以及單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗(yàn)中的優(yōu)異表現(xiàn)，充分證明了其具備在商業(yè)航天、航天電子系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的潛力。

然而，航天輻射環(huán)境復(fù)雜多變，不同軌道、不同任務(wù)所面臨的輻射條件存在顯著差異。因此，在未來(lái)的應(yīng)用研究中，仍需針對(duì)更為嚴(yán)苛與復(fù)雜的輻射環(huán)境，進(jìn)一步開(kāi)展深入的抗輻射測(cè)試與評(píng)估工作。例如，可對(duì)AS32S601ZIT2型MCU進(jìn)行更高能質(zhì)子、重離子以及多粒子聯(lián)合輻照試驗(yàn)，以全面評(píng)估其在極端空間輻射環(huán)境下的綜合性能。

同時(shí)，隨著半導(dǎo)體制造工藝的不斷進(jìn)步與MCU設(shè)計(jì)架構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化，有望進(jìn)一步提升該型號(hào)MCU的抗輻射性能。此外，結(jié)合先進(jìn)的抗輻射設(shè)計(jì)技術(shù)與工藝改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出具有更高可靠性、更低功耗以及更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力的新型MCU器件，將為航天事業(yè)的發(fā)展提供更為強(qiáng)大的核心芯片支持，助力人類探索宇宙奧秘的征程不斷邁向新的高度。

審核編輯 黃宇