摘要

隨著商業(yè)航天和高可靠應用需求的蓬勃發(fā)展，空間輻射環(huán)境對電子設備的可靠性和穩(wěn)定性構成嚴峻挑戰(zhàn)，單粒子效應和總劑量效應是半導體器件在太空環(huán)境中面臨的主要輻射威脅，半導體器件的抗輻射能力成為決定其在嚴苛太空環(huán)境下可靠運行的關鍵因素。本文以國科安芯推出的RISC-V架構MCU芯片AS32S601ZIT2為例，分析了該MCU芯片在航天級輻射環(huán)境下的系列可靠性測試，包括質子單粒子效應試驗、總劑量效應試驗以及單粒子效應脈沖激光試驗。通過詳盡的試驗流程、嚴謹?shù)臏y試方法以及對試驗結果的深入分析，本文旨在為學術界和工業(yè)界提供一份關于該型號MCU抗輻射性能的系統(tǒng)性評估報告，助力于推動高可靠半導體器件在航天領域的應用與發(fā)展。

一、引言

在現(xiàn)代航天任務中，電子系統(tǒng)面臨著復雜而嚴苛的空間輻射環(huán)境，包括高能質子、重離子以及伽馬射線等。這些輻射可能導致半導體器件出現(xiàn)單粒子效應、總劑量效應等輻射損傷，進而引發(fā)器件性能退化甚至失效。因此，對航天級電子元器件進行系統(tǒng)的抗輻射測試評估，是確保航天任務成功實施的必要環(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MCU，憑借其高安全、低失效、多I/O以及低成本等特點，在商業(yè)航天、核電站等高安全需求場景中具有廣闊的應用前景。對其開展系統(tǒng)的抗輻射測試研究，不僅有助于驗證其在嚴苛輻射環(huán)境下的可靠性，還能為相關應用領域的系統(tǒng)設計提供關鍵依據(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℃。芯片內置512KiB帶ECC校正的內部SRAM、512KiB帶ECC的D-Flash以及2MiB帶ECC的P-Flash，具備豐富的存儲資源。此外，該MCU集成了3個12位模數(shù)轉換器（ADC）、2個模擬比較器（ACMP）、2個8位數(shù)模轉換器（DAC）和1個溫度傳感器等模擬外設，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認證標準，能夠滿足多樣化應用需求。

三、質子單粒子效應試驗

（一）試驗目的與依據(jù)

質子單粒子效應試驗旨在評估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敏感度。該試驗嚴格遵循GJB548B、GJB9397-2018、GB/T32304等多項標準規(guī)范，確保試驗流程的科學性與嚴謹性。

（二）試驗流程與條件

試驗在中國原子能科學研究院100MeV質子回旋加速器上進行。試驗前，對樣品進行常溫測試，確認其參數(shù)與功能正常。試驗過程中，嚴格控制試驗板和電纜的電磁干擾、機械穩(wěn)定性等因素，并采用程控電源、PC等設備組成單粒子效應測試系統(tǒng)。試驗板號為#3，質子能量設定為100MeV，注量率為1e7，總注量達到1e10。試驗結果顯示，在整個試驗過程中，AS32S601ZIT2型MCU功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應，成功通過質子單粒子效應試驗，展現(xiàn)出卓越的抗單粒子效應能力。

（三）結果分析

通過對試驗數(shù)據(jù)的細致分析可知，該MCU在面對高能質子輻照時，內部電路未出現(xiàn)異常翻轉或鎖定現(xiàn)象，各項功能指標穩(wěn)定，性能表現(xiàn)優(yōu)異。這一結果充分證明了其在航天任務中抵御單粒子輻射威脅的潛力，為在復雜空間輻射環(huán)境下的可靠應用奠定了堅實基礎。

四、總劑量效應試驗

（一）試驗目的與依據(jù)

總劑量效應試驗的目的是確定AS32S601ZIT2型MCU抗總劑量輻照的能力。該試驗依據(jù)GJB1649-1993、GJB2712-1996、GJB548C-2023等標準開展，模擬器件在長期累積輻射環(huán)境下的性能變化情況。

（二）試驗流程與條件

試驗在北京大學技術物理系的鈷源平臺上進行，采用鈷60γ射線源作為輻照源，輻射場在試驗樣品輻照面積內的不均勻性小于10%。輻照劑量測試采用電離室、熱釋光劑量計等測試系統(tǒng)，測量不確定度小于5%。試驗前對樣品進行常溫功能測試，確認其性能正常。輻照劑量率設定為25rad（Si）/s，總劑量依次達到100krad（Si）和150krad（Si），并在輻照后進行室溫以及高溫退火處理后的功能參數(shù)測試。

（三）結果分析

試驗結果表明，AS32S601ZIT2型MCU在經歷總劑量輻照后，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航天任務中長期累積輻射的嚴苛挑戰(zhàn)，有力地保障了航天電子系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

五、單粒子效應脈沖激光試驗

（一）試驗目的與依據(jù)

單粒子效應脈沖激光試驗通過模擬空間輻射環(huán)境中的重離子對器件的影響，進一步評估AS32S601型MCU抗單粒子效應的能力。該試驗嚴格參照GB/T43967-2024、GJB10761-2022、QJ10005A-2018等標準執(zhí)行，采用皮秒脈沖激光單粒子效應試驗裝置，以激光正面輻照試驗方法對芯片進行全面掃描。

（二）試驗流程與條件

試驗在中關村B481的脈沖激光單粒子效應實驗室進行，環(huán)境溫度為24℃，濕度為42%RH。試驗設備主要包括皮秒脈沖激光單粒子效應裝置、直流電源、電控平移臺等。在激光試驗前，對芯片樣品進行開封裝處理，使其正面金屬管芯表面完全暴露。通過移動觀測法測量樣品尺寸，并利用CCD成像確定樣品的長寬。試驗過程中，激光能量從120pJ（對應LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始，逐步提升至1830pJ（對應LET值為（75±18.75）MeV·cm2/mg），以全面評估芯片在不同能量條件下的單粒子效應表現(xiàn)。

（三）結果分析

試驗結果顯示，當激光能量提升至1585pJ（對應LET值為（75±16.25）MeV·cm2/mg）時，監(jiān)測到芯片發(fā)生了單粒子翻轉（SEU）現(xiàn)象。這一結果為深入了解該MCU在單粒子輻射環(huán)境下的失效機理提供了關鍵數(shù)據(jù)支持，有助于進一步優(yōu)化器件設計，提升其抗單粒子效應能力。同時，通過對試驗數(shù)據(jù)的深入分析，可以為后續(xù)的航天任務中該MCU的應用提供重要的參考依據(jù)，制定相應的防護措施以降低單粒子輻射對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試結果，AS32S601ZIT2型RISC-V架構MCU在航天級輻射環(huán)境下展現(xiàn)出了卓越的可靠性與穩(wěn)定性。其在質子單粒子效應試驗、總劑量效應試驗以及單粒子效應脈沖激光試驗中的優(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)等領域廣泛應用的潛力。

然而，航天輻射環(huán)境復雜多變，不同軌道、不同任務所面臨的輻射條件存在顯著差異。因此，在未來的應用研究中，仍需針對更為嚴苛與復雜的輻射環(huán)境，進一步開展深入的抗輻射測試與評估工作。例如，可對AS32S601ZIT2型MCU進行更高能質子、重離子以及多粒子聯(lián)合輻照試驗，以全面評估其在極端空間輻射環(huán)境下的綜合性能。

同時，隨著半導體制造工藝的不斷進步與MCU設計架構的持續(xù)優(yōu)化，有望進一步提升該型號MCU的抗輻射性能。此外，結合先進的抗輻射設計技術與工藝改進，開發(fā)出具有更高可靠性、更低功耗以及更強環(huán)境適應能力的新型MCU器件，將為航天事業(yè)的發(fā)展提供更為強大的核心芯片支持，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