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)境下可靠運行的關(guān)鍵因素。本文以國科安芯推出的RISC-V架構(gòu)MCU芯片AS32S601ZIT2為例，分析了該MCU芯片在航天級輻射環(huán)境下的系列可靠性測試，包括質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗、總劑量效應(yīng)試驗以及單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗。通過詳盡的試驗流程、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y試方法以及對試驗結(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(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(wù)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(yīng)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(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，具備豐富的存儲資源。此外，該MCU集成了3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、2個模擬比較器（ACMP）、2個8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和1個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

（一）試驗?zāi)康呐c依據(jù)

質(zhì)子單粒子效應(yīng)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(yīng)敏感度。該試驗嚴(yán)格遵循GJB548B、GJB9397-2018、GB/T32304等多項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保試驗流程的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性。

（二）試驗流程與條件

試驗在中國原子能科學(xué)研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上進行。試驗前，對樣品進行常溫測試，確認(rèn)其參數(shù)與功能正常。試驗過程中，嚴(yán)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(shè)備組成單粒子效應(yīng)測試系統(tǒng)。試驗板號為#3，質(zhì)子能量設(shè)定為100MeV，注量率為1e7，總注量達(dá)到1e10。試驗結(jié)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(yīng)，成功通過質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗，展現(xiàn)出卓越的抗單粒子效應(yīng)能力。

（三）結(jié)果分析

通過對試驗數(shù)據(jù)的細(xì)致分析可知，該MCU在面對高能質(zhì)子輻照時，內(nèi)部電路未出現(xiàn)異常翻轉(zhuǎn)或鎖定現(xiàn)象，各項功能指標(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)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

四、總劑量效應(yīng)試驗

（一）試驗?zāi)康呐c依據(jù)

總劑量效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(xué)技術(shù)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(nèi)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(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），并在輻照后進行室溫以及高溫退火處理后的功能參數(shù)測試。

（三）結(jié)果分析

試驗結(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)定運行。

五、單粒子效應(yīng)脈沖激光試驗

（一）試驗?zāi)康呐c依據(jù)

單粒子效應(yīng)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(yīng)的能力。該試驗嚴(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(guān)村B481的脈沖激光單粒子效應(yīng)實驗室進行，環(huán)境溫度為24℃，濕度為42%RH。試驗設(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(yīng)LET值為（5±1.25）MeV·cm2/mg）開始，逐步提升至1830pJ（對應(yīng)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(yīng)表現(xiàn)。

（三）結(jié)果分析

試驗結(jié)果顯示，當(dāng)激光能量提升至1585pJ（對應(yīng)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(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)境下的失效機理提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，有助于進一步優(yōu)化器件設(shè)計，提升其抗單粒子效應(yīng)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(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(jié)果，AS32S601ZIT2型RISC-V架構(gòu)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(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗、總劑量效應(yīng)試驗以及單粒子效應(yīng)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(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，在未來的應(yīng)用研究中，仍需針對更為嚴(yán)苛與復(fù)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(zhì)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(dǎo)體制造工藝的不斷進步與MCU設(shè)計架構(gòu)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(jié)合先進的抗輻射設(shè)計技術(shù)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(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