摘要

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間電子器件面臨著復(fù)雜的輻射環(huán)境挑戰(zhàn)。CANFD協(xié)議作為一種高效通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域。本文系統(tǒng)分析了國(guó)科安芯推出的ASM1042S2S型CANFD芯片在復(fù)雜空間環(huán)境下的抗輻照性能及其在軌應(yīng)用表現(xiàn)。研究涵蓋了總劑量輻照效應(yīng)、重離子單粒子效應(yīng)、質(zhì)子單粒子效應(yīng)、脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)以及實(shí)際在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)，探討了ASM1042S2S芯片的空間環(huán)境適應(yīng)性及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。研究結(jié)果表明，該芯片在多種輻照環(huán)境下均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照能力，且在軌運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足商業(yè)航天級(jí)應(yīng)用需求。

1. 引言

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，空間系統(tǒng)對(duì)電子器件的可靠性和抗輻照性能提出了越來(lái)越高的要求?？臻g環(huán)境中的高能粒子輻照會(huì)導(dǎo)致電子器件性能退化甚至失效，這對(duì)航天任務(wù)的成功構(gòu)成嚴(yán)重威脅。CANFD（Controller Area Network with Flexible Data-Rate）作為一種高效通信協(xié)議，因其高速率和高可靠性，在航天、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

ASM1042S2S芯片是國(guó)科安芯研制的一款抗輻照CANFD通信接口芯片。該芯片支持5Mbps的通信速率，具有低功耗待機(jī)模式及遠(yuǎn)程喚醒功能，采用VIS 0.15μm BCD工藝制造，封裝形式為SOP8L，工作溫度范圍為-55℃至+125℃。其設(shè)計(jì)與國(guó)際主流產(chǎn)品（如TJA1042和TCAN1042）完全兼容，且全流程國(guó)產(chǎn)化。本文基于多輪輻照試驗(yàn)及在軌應(yīng)用數(shù)據(jù)，系統(tǒng)性地分析了ASM1042S2S芯片的空間環(huán)境適應(yīng)性及其抗輻照性能。

2. 芯片技術(shù)背景與應(yīng)用需求

2.1 CANFD協(xié)議的航天應(yīng)用

CANFD協(xié)議是傳統(tǒng)CAN協(xié)議的擴(kuò)展版本，支持更高的數(shù)據(jù)速率（最高8Mbps）和更大的數(shù)據(jù)負(fù)載（最多64字節(jié)）。其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在衛(wèi)星通信系統(tǒng)、星載計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及空間探測(cè)器的數(shù)據(jù)傳輸中。相比傳統(tǒng)CAN協(xié)議，CANFD在數(shù)據(jù)傳輸效率和實(shí)時(shí)性方面的提升顯著，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代航天任務(wù)對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2.2 空間環(huán)境對(duì)電子器件的挑戰(zhàn)

空間環(huán)境中的高能粒子輻照是影響電子器件可靠性的主要因素之一?？倓┝啃?yīng)（TID）會(huì)導(dǎo)致器件參數(shù)的長(zhǎng)期退化，而單粒子效應(yīng)（SEE）則可能引發(fā)瞬時(shí)功能故障或永久性損壞。因此，抗輻照能力成為航天級(jí)電子器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

2.3 ASM1042S2S芯片的研發(fā)背景

為了滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、抗輻照CANFD通信芯片的需求，國(guó)科安芯研制了ASM1042S2S芯片。該芯片不僅在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了與國(guó)際主流產(chǎn)品的兼容性，還通過(guò)了多項(xiàng)抗輻照試驗(yàn)驗(yàn)證，展現(xiàn)了良好的空間環(huán)境適應(yīng)性。

3. 總劑量輻照效應(yīng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)背景與目的

總劑量效應(yīng)（Total Ionizing Dose, TID）是指電子器件在長(zhǎng)期累積輻照下性能逐漸退化的現(xiàn)象?？臻g環(huán)境中的高能γ射線(xiàn)和X射線(xiàn)是總劑量效應(yīng)的主要來(lái)源。為了驗(yàn)證ASM1042S2S芯片在總劑量輻照下的可靠性，試驗(yàn)依據(jù)GJB548C-2023和QJ10004A-2018標(biāo)準(zhǔn)，采用鈷60γ射線(xiàn)源進(jìn)行輻照。

3.2 試驗(yàn)方法與條件

試驗(yàn)中，輻照劑量率為25rad(Si)/s，總劑量分別為100krad(Si)和150krad(Si)。試驗(yàn)環(huán)境溫度為24℃±6℃，樣品在輻照前后均進(jìn)行了電參數(shù)和功能測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目包括顯性功耗、隱性功耗、環(huán)路延時(shí)、輸出電壓對(duì)稱(chēng)性等。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在輻照劑量達(dá)到150krad(Si)后，ASM1042S2S芯片的電參數(shù)和功能均未出現(xiàn)明顯變化。退火后，芯片的性能和外觀均符合設(shè)計(jì)要求。這表明芯片在總劑量輻照環(huán)境下具有優(yōu)異的抗輻照能力。與同類(lèi)芯片相比，ASM1042S2S在總劑量輻照下的性能表現(xiàn)更為穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足商業(yè)航天級(jí)應(yīng)用的需求。

4. 重離子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)背景與目的

單粒子效應(yīng)（Single Event Effect, SEE）是空間環(huán)境中高能粒子（如重離子、質(zhì)子）與器件敏感區(qū)相互作用引發(fā)的瞬時(shí)或永久性故障。常見(jiàn)的單粒子效應(yīng)包括單粒子鎖定（SEL）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）和單粒子功能中斷（SEFI）。為了評(píng)估ASM1042S2S芯片的抗SEE能力，試驗(yàn)依據(jù)QJ10005A-2018標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

4.2 試驗(yàn)方法與條件

試驗(yàn)采用Ge離子束，LET值為37.4MeV·cm2/mg，注量為1×10? ion/cm2。試驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片的工作電流和功能狀態(tài)，測(cè)試內(nèi)容包括通信數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確性及電流變化。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在LET值為37.4MeV·cm2/mg的輻照條件下，ASM1042S2S芯片未發(fā)生SEL或SEU現(xiàn)象。其SEL和SEU閾值均大于37.4MeV·cm2/mg，表明芯片在單粒子效應(yīng)方面具有較高的抗敏感性。與同類(lèi)芯片相比，ASM1042S2S在高LET值條件下的表現(xiàn)更為優(yōu)異。

5. 質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)背景與目的

質(zhì)子輻照是空間環(huán)境中的另一種重要威脅。質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)旨在驗(yàn)證芯片在質(zhì)子輻照環(huán)境下的抗輻照能力。

5.2 試驗(yàn)方法與條件

試驗(yàn)依據(jù)GJB548B標(biāo)準(zhǔn)，采用100MeV質(zhì)子束，注量率為1×10? ion/cm2，總注量為1×101? ion/cm2。試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)芯片的工作狀態(tài)，測(cè)試內(nèi)容包括功能正常性和參數(shù)變化。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，在100MeV質(zhì)子輻照下，ASM1042S2S芯片功能正常，未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。這表明芯片在質(zhì)子輻照環(huán)境下具有優(yōu)異的抗輻照能力。與同類(lèi)芯片相比，ASM1042S2S在質(zhì)子輻照下的性能表現(xiàn)更為穩(wěn)定。

6. 脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)背景與目的

脈沖激光單粒子效應(yīng)試驗(yàn)通過(guò)模擬高能粒子的線(xiàn)性能量轉(zhuǎn)移（LET）效應(yīng)，進(jìn)一步驗(yàn)證芯片在單粒子環(huán)境下的抗干擾能力。

6.2 試驗(yàn)方法與條件

試驗(yàn)依據(jù)GB/T43967-2024標(biāo)準(zhǔn)，采用皮秒脈沖激光器，LET值范圍為5至100MeV·cm2/mg。試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄芯片的工作電流、功能狀態(tài)及激光能量掃描結(jié)果。

6.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，ASM1042S2S芯片在LET值為100MeV·cm2/mg的輻照條件下未出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。這表明芯片在高LET值輻照環(huán)境下具有較高的抗干擾能力。

7. 在軌應(yīng)用實(shí)證

7.1 應(yīng)用背景

ASM1042S2S芯片已在地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星TY29（天儀29星）和光學(xué)遙感衛(wèi)星TY35（天儀35星）中搭載應(yīng)用。這兩顆衛(wèi)星分別于2025年5月發(fā)射，主要用于高光譜地質(zhì)遙感和光學(xué)圖像采集。

7.2 在軌表現(xiàn)

在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，芯片在空間環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗輻照性能，其通信速率穩(wěn)定在5Mbps，功耗性能符合設(shè)計(jì)要求。芯片在高能粒子環(huán)境下的長(zhǎng)期運(yùn)行表現(xiàn)驗(yàn)證了其實(shí)用性和可靠性。

7.3 應(yīng)用分析

7.3.1 地質(zhì)遙感領(lǐng)域

在地質(zhì)遙感智能小衛(wèi)星TY29中，ASM1042S2S芯片用于高光譜地質(zhì)遙感數(shù)據(jù)的傳輸。高光譜遙感數(shù)據(jù)通常具有高數(shù)據(jù)量和高實(shí)時(shí)性要求，芯片的高數(shù)據(jù)速率和穩(wěn)定性確保了數(shù)據(jù)的高效采集與傳輸。

7.3.2 光學(xué)遙感領(lǐng)域

在光學(xué)遙感衛(wèi)星TY35中，芯片用于光學(xué)圖像數(shù)據(jù)的傳輸。光學(xué)遙感圖像數(shù)據(jù)對(duì)傳輸?shù)目煽啃院蜏?zhǔn)確性要求極高，芯片的抗輻照性能確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，尤其是在復(fù)雜的空間輻射環(huán)境下。

7.3.3 商業(yè)航天應(yīng)用

芯片的抗輻照能力和低功耗特性使其在商業(yè)航天領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。其國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)降低了對(duì)進(jìn)口器件的依賴(lài)，為我國(guó)商業(yè)航天發(fā)展提供了重要支持。

8. 芯片性能測(cè)試

8.1 測(cè)試環(huán)境與設(shè)備

測(cè)試環(huán)境包括穩(wěn)壓電源、信號(hào)發(fā)生器、示波器、萬(wàn)用表以及CAN分析儀等設(shè)備。所有設(shè)備均在檢定有效期內(nèi)，確保了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

8.2 測(cè)試項(xiàng)目與結(jié)果

芯片性能測(cè)試包括對(duì)稱(chēng)性測(cè)試、低功耗喚醒測(cè)試、功耗性能測(cè)試、開(kāi)關(guān)性能測(cè)試、ESD測(cè)試、高低溫測(cè)試以及多節(jié)點(diǎn)通信測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，芯片在常溫、高溫（125℃）及低溫（-55℃）環(huán)境下均能正常工作，且在25節(jié)點(diǎn)多節(jié)點(diǎn)通信測(cè)試中未出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。關(guān)鍵性能指標(biāo)如功耗、延時(shí)、輸出電壓對(duì)稱(chēng)性等均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

8.3 性能測(cè)試的學(xué)術(shù)意義

芯片性能測(cè)試不僅驗(yàn)證了其在復(fù)雜環(huán)境下的可靠性，還為其在多節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。測(cè)試結(jié)果表明，ASM1042S2S芯片能夠滿(mǎn)足高安全應(yīng)用場(chǎng)景（如機(jī)器人、工業(yè)控制和醫(yī)療設(shè)備）的需求。

9. 結(jié)論與展望

ASM1042S2S芯片是一款具有優(yōu)異抗輻照性能的國(guó)產(chǎn)化CANFD通信接口芯片。其在總劑量輻照、單粒子效應(yīng)、質(zhì)子輻照以及脈沖激光輻照試驗(yàn)中均表現(xiàn)出較高的抗干擾能力，同時(shí)在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其在空間環(huán)境下的可靠性和穩(wěn)定性。未來(lái)，隨著商業(yè)航天和遙感技術(shù)的發(fā)展，ASM1042S2S芯片有望在更多任務(wù)中發(fā)揮重要作用，為我國(guó)航天電子器件的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程提供支持。

審核編輯 黃宇