摘要 ：隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，星載電子系統(tǒng)的自主可控與國產(chǎn)化替代已成為保障國家空間安全的重要戰(zhàn)略方向。單粒子效應（Single Event Effects, SEE）作為空間輻射環(huán)境對微電子器件造成的主要威脅之一，其閾值測試與防護策略研究在國產(chǎn)化元器件的宇航級應用驗證中占據(jù)核心地位。本文基于國科安芯推出的ASP4644系列電源管理芯片、ASM1042S2S型CAN FD收發(fā)器及AS32S601ZIT2型MCU等多型國產(chǎn)宇航級元器件的試驗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)梳理了當前國產(chǎn)化星載電子元器件在SEE效應評估中的技術(shù)路徑、測試方法體系、防護設(shè)計策略及在軌驗證現(xiàn)狀。通過對比重離子、質(zhì)子及脈沖激光三種主流SEE測試技術(shù)手段，分析了不同測試方法的適用場景與技術(shù)局限性；結(jié)合破壞性物理分析（DPA）、自主可控等級評估及總劑量效應（TID）協(xié)同測試，提出了面向宇航應用的元器件全周期可靠性保障體系。

1 引言

空間輻射環(huán)境是制約星載電子系統(tǒng)長期可靠服役的關(guān)鍵因素之一。地球軌道上的高能質(zhì)子和重離子能夠穿透航天器屏蔽層，與集成電路材料發(fā)生核反應或直接電離作用，引發(fā)單粒子效應（SEE），包括單粒子鎖定（SEL）、單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）、單粒子燒毀（SEB）及單粒子功能中斷（SEFI）等多種失效模式。

本文聚焦國產(chǎn)化星載電子元器件的SEE閾值測試與防護策略，基于國科安芯推出的ASP4644系列四通道降壓穩(wěn)壓器、ASM1042S2S型CAN FD收發(fā)器及AS32S601ZIT2型MCU等典型型號的系統(tǒng)性試驗數(shù)據(jù)，開展技術(shù)評估與分析。這些元器件由國內(nèi)多家單位協(xié)同研制，通過了工業(yè)和信息化部電子第五研究所、中國科學院國家空間科學中心及北京中科芯試驗空間科技有限公司等權(quán)威機構(gòu)的第三方測試驗證，形成了涵蓋DPA分析、自主可控等級評估、重離子/質(zhì)子輻照試驗、脈沖激光模擬及總劑量效應測試的技術(shù)鏈條。

2 國產(chǎn)化星載元器件SEE效應研究現(xiàn)狀

2.1 SEE效應機理與宇航級元器件的特殊要求

單粒子效應的物理本質(zhì)是高能帶電粒子在器件敏感區(qū)產(chǎn)生電荷沉積，當收集電荷超過臨界閾值時引發(fā)電路狀態(tài)改變。對于星載應用，元器件通常需滿足LET閾值≥37.4 MeV·cm2/mg的基本要求，部分高軌或深空任務甚至要求≥75 MeV·cm2/mg。傳統(tǒng)商用器件的SEE敏感性往往高出1-2個數(shù)量級，必須通過工藝加固、設(shè)計加固或系統(tǒng)級防護方能滿足宇航要求。

當前國產(chǎn)化宇航級元器件主要采用"設(shè)計加固+工藝管控+篩選測試"的技術(shù)路線。以ASP4644系列為例，該型四通道DC/DC降壓穩(wěn)壓器采用BGA77封裝，內(nèi)置功率MOSFET與電感，支持4-14V寬輸入電壓范圍，單通道最大輸出電流達5A。根據(jù)中國電子元器件自主可控等級評估通用準則，ASP4644I6B與ASP4644M2B型號均獲得C級認證，表明其核心原材料與零部件已實現(xiàn)國內(nèi)供應鏈主導，關(guān)鍵原材料包括DCDC電源晶圓、肖特基二極管及多層陶瓷電容等主要由國內(nèi)廠商提供，為后續(xù)SEE測試的樣本代表性提供了基礎(chǔ)保障。

2.2 國產(chǎn)化SEE測試能力體系建設(shè)

我國已建立覆蓋重離子加速器、質(zhì)子回旋加速器及脈沖激光模擬的SEE測試平臺網(wǎng)絡。中國科學院國家空間科學中心擁有H-13串列加速器，可提供LET值達37.4 MeV·cm2/mg的重離子束流；中國原子能科學研究院的100MeV質(zhì)子回旋加速器可模擬太陽宇宙線及輻射帶質(zhì)子環(huán)境；北京中科芯試驗空間科技有限公司的脈沖激光系統(tǒng)則提供5-100 MeV·cm2/mg的等效LET值快速評估能力。三類測試手段形成技術(shù)互補：重離子試驗為鑒定級標準，質(zhì)子試驗評估實際空間質(zhì)子環(huán)境效應，脈沖激光適用于快速篩選與失效機理分析。然而，各測試平臺在數(shù)據(jù)互認、標準執(zhí)行一致性方面仍存在改進空間。

3 SEE閾值測試方法與技術(shù)實現(xiàn)

3.1 重離子單粒子效應試驗

重離子試驗遵循QJ10005A-2018及ESCC 25100標準，通過加速器產(chǎn)生的高能重離子對開封裝器件進行直接輻照。以ASP4644S2B為例，2025年8月在中國原子能科學研究院開展的試驗采用74Ge離子，LET值37.4 MeV·cm2/mg，總注量8.3×10? ion/cm2。試驗設(shè)置12V偏置條件，監(jiān)測四通道中一路的輸出電壓與工作電流，DC電源設(shè)置300mA限流保護。

試驗結(jié)果顯示，輻照過程中器件工作電流隨注量增加呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，在3×10? ion/cm2時達到限流值300mA，但停止輻照后電流可逐步恢復；繼續(xù)輻照至8.3×10? ion/cm2時電流超過1A，但經(jīng)過一周靜置后恢復至正常值71mA，輸出電壓始終穩(wěn)定在1.5V。該現(xiàn)象符合單粒子瞬態(tài)（SET）誘導的閂鎖敏感特征，而非破壞性SEL。最終判定ASP4644S2B在測試條件下未發(fā)生SEL或SEB現(xiàn)象。需要特別指出的是，37.4 MeV·cm2/mg的測試條件雖滿足商業(yè)航天級基本要求，但尚不能完全證明器件在更高LET值下的行為特性，這是當前測試能力的主要局限。

ASM1042S2S型CAN FD收發(fā)器在相同LET值、注量1×10? ion/cm2條件下，5V工作電流穩(wěn)定在8mA，5Mbps通信無誤碼，驗證了其在測試條件下的SEL/SEU耐受能力。試驗中的在線監(jiān)測技術(shù)包括工作電流實時測量與功能回讀比對，確保了對軟錯誤的捕捉能力。

3.2 質(zhì)子單粒子效應試驗

質(zhì)子試驗依據(jù)GJB9397-2018及GB18871-2002標準，重點評估器件對空間天然質(zhì)子環(huán)境的敏感性。ASP4644S2B的質(zhì)子試驗于2025年在中國原子能科學研究院100MeV質(zhì)子回旋加速器上完成，注量率1×10? p·cm?2·s?1，總注量1×101? p/cm2。試驗過程中器件未出現(xiàn)功能異常，判定合格。ASM1042S2S及AS32S601ZIT2型MCU的質(zhì)子試驗同樣采用100MeV能量、1×101?總注量，結(jié)果顯示均無SEL/SEU現(xiàn)象，驗證了其在低LET端（質(zhì)子LET值約0.1-10 MeV·cm2/mg）的魯棒性。

質(zhì)子試驗的技術(shù)挑戰(zhàn)在于其較低LET值難以觸發(fā)某些加固器件的SEE，但高注量可評估累積效應。試驗中需嚴格控制總劑量累積不超過TID能力的80%，避免劑量效應與位移損傷效應干擾SEE判定。所有質(zhì)子試驗樣品均配有未輻照參考樣片，以排除測試系統(tǒng)漂移影響。此外，質(zhì)子試驗的環(huán)境參數(shù)（溫度15-35℃，相對濕度20-80%）需嚴格記錄，確保試驗可重復性。

3.3 脈沖激光單粒子效應模擬

脈沖激光技術(shù)依據(jù)GB/T43967-2024及GJB10761-2022標準，利用皮秒激光脈寬短、能量可控的特點，在器件正面或背面注入電荷，模擬重離子效應。AS32S601型MCU的激光試驗在LET值5-75 MeV·cm2/mg范圍內(nèi)掃描，當能量達1585pJ（對應LET=65 MeV·cm2/mg）時監(jiān)測到SEU，引發(fā)CPU復位；而未觀察到SEL，表明其SEL閾值高于75 MeV·cm2/mg。該結(jié)果與重離子試驗形成交叉驗證，但需注意激光模擬的電荷注入剖面與重離子存在差異，特別是在深層敏感區(qū)模擬方面存在局限。

ASM1042系列（SIT1042AQ、TCAN1042HGVD、ASM1042A）的激光試驗揭示出不同型號間的敏感性差異：SIT1042AQ在920pJ（LET=37 MeV·cm2/mg）出現(xiàn)SEL；TCAN1042HGVD在610pJ（LET=25 MeV·cm2/mg）出現(xiàn)SEFI，重啟無法恢復；而ASM1042A在最高3050pJ（LET=100 MeV·cm2/mg）仍未失效，展現(xiàn)出不同的抗輻照能力。激光試驗的快速反饋能力為設(shè)計迭代與批次篩選提供了有效手段，但其結(jié)果需通過重離子試驗最終確認。

4 協(xié)同測試與全周期可靠性保障

4.1 破壞性物理分析（DPA）與工藝一致性評估

DPA是宇航元器件批產(chǎn)質(zhì)量控制的必要環(huán)節(jié)。ASP4644S2B的DPA報告顯示，樣品通過外部目檢、X射線檢查、聲學掃描顯微鏡（SAM）及內(nèi)部目檢，未見分層、空洞或鍵合異常。鍵合強度測試采用20μm與30μm金線，拉力值符合GJB548B-2025要求，但報告明確指出"結(jié)果僅作工程觀察，不作合格判定"，體現(xiàn)了對宇航級器件高可靠性的審慎態(tài)度。DPA與SEE測試的關(guān)聯(lián)性在于：金屬化缺陷、鈍化層不完整等工藝問題會顯著降低SEE閾值，因此DPA合格是開展SEE測試的前提。對于塑封器件，SAM檢查需特別注意芯片背面分層問題，這可能影響散熱與應力分布。

4.2 總劑量效應（TID）與SEE的協(xié)同評估

空間輻射環(huán)境同時包含電離總劑量與單粒子效應，二者存在協(xié)同作用。ASP4644S2B的TID試驗參照QJ10004A-2018標準，采用鈷60γ源，劑量率25 rad(Si)/s，累積劑量達150 krad(Si)后加50%過輻照（225 krad(Si)）。試驗前后工作電流穩(wěn)定在72mA，輸出電壓1.5V無漂移，判定抗TID能力>125 krad(Si)。ASM1042S2S與AS32S601ZIT2的TID試驗均達標>150 krad(Si)。

TID測試的偏置條件設(shè)計需貼近實際工作模式。ASP4644S2B采用12V輸入，四通道分別輸出3.3V、2.5V、1.5V、1.2V，空載監(jiān)測1.5V通道，確保內(nèi)部LDO與功率管均受輻照。AS32S601ZIT2則加3.3V靜態(tài)偏置，監(jiān)測CAN通信與FLASH/RAM擦寫功能。移位測試的時間間隔控制在72小時內(nèi)，以捕捉退火效應。協(xié)同測試表明，國產(chǎn)元器件在TID與SEE雙重應力下性能穩(wěn)定，但需警惕某些器件在TID損傷后SEE敏感性增加的風險，這要求在實際任務中進行綜合裕量設(shè)計。

4.3 自主可控等級評估對測試可信度的支撐

依據(jù)ZKB3101-001-2022《軍用電子元器件自主可控評估通用準則》，ASP4644I6B與M2B型號獲C級認證，表明其設(shè)計、制造、封裝、測試環(huán)節(jié)實現(xiàn)國內(nèi)自主可控，但部分原材料存在境外替代風險。關(guān)鍵原材料清單顯示，ASP3605晶圓由國科環(huán)宇自研，MBR4010DF由富芯森美半導體提供，無源元件與基板均選自風華高科、江西紅板等國產(chǎn)供應商，鍵合絲、塑封料亦實現(xiàn)國產(chǎn)化。自主可控評估為SEE測試提供了供應鏈可信度背書，確保測試樣品與在軌器件的技術(shù)狀態(tài)一致性，這對于測試結(jié)果的可追溯性與任務風險評估至關(guān)重要。

5 防護策略工程應用分析

5.1 器件級加固設(shè)計的實現(xiàn)路徑

國產(chǎn)宇航級器件采用多種加固技術(shù)：工藝上選用UMC 55nm、VIS 0.15μm BCD等成熟工藝節(jié)點，避免FinFET等敏感結(jié)構(gòu)；設(shè)計上增加保護環(huán)、冗余節(jié)點與電流限幅電路；版圖優(yōu)化敏感節(jié)點間距，降低電荷共享效應。ASP4644S2B的BGA77封裝采用77個焊球陣列，功率地（GND）與信號地（SGND）分離設(shè)計，降低單粒子瞬態(tài)干擾。內(nèi)置電感與功率MOSFET的集成設(shè)計減少了外部互連，降低了單粒子感應噪聲的耦合路徑。

AS32S601ZIT2的MCU內(nèi)核采用RISC-V架構(gòu)，集成ECC糾錯功能的SRAM與FLASH，有效緩解SEU影響。其512KiB SRAM與2MiB P-Flash的存儲結(jié)構(gòu)對單粒子翻轉(zhuǎn)的敏感性不同，要求差異化的測試策略。存儲器的ECC設(shè)計雖能糾正單位錯，但對多位翻轉(zhuǎn)（MBU）的防護能力有限，這在高LET值重離子環(huán)境中需特別關(guān)注。

5.2 系統(tǒng)級防護架構(gòu)的工程實現(xiàn)

星載電源系統(tǒng)通常采用"浪涌抑制+限流保護+冷冗余"三級防護架構(gòu)。ASP4644S2B在軌應用中，其4通道并聯(lián)輸出16A能力為衛(wèi)星載荷供電，測試條件下SEL閾值>37.4 MeV·cm2/mg的設(shè)計指標降低了系統(tǒng)級防護壓力。實際工程中會配置外部 watchdog 與電流監(jiān)測電路，一旦檢測到異常功耗即觸發(fā)斷電重啟，響應時間通?？刂圃诤撩爰?。對于多電源并聯(lián)系統(tǒng)，還需考慮單粒子瞬態(tài)引發(fā)的輸出電壓波動對負載的影響，輸出端需增加LC濾波與儲能電容。

通信系統(tǒng)則通過"看門狗+三模冗余（TMR）+重傳機制"應對SEFI與SEU。ASM1042S2S的CAN FD接口支持5Mbps高速率，其SEL閾值在測試條件下表現(xiàn)良好，配合總線級CRC校驗與應答機制，可確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性。對于關(guān)鍵指令傳輸，常采用雙CAN總線冗余與交叉校驗策略，避免SEFI導致的總線永久性失效。系統(tǒng)級防護還需考慮單粒子效應對同步信號（如CLKIN/CLKOUT）的干擾，ASP4644S2B的時鐘同步功能在測試中未受影響，但在實際任務中仍需評估時鐘抖動對分布式系統(tǒng)的影響。

5.3 在軌驗證的工程意義與挑戰(zhàn)

ASP4644S2B與ASM1042S2S已于2025年5月搭載于TY29"天儀29星"高光譜地質(zhì)遙感衛(wèi)星與TY35光學遙感衛(wèi)星，截至2025年7月在軌運行約2個月期間供電穩(wěn)定、通信正常。在軌數(shù)據(jù)與地面試驗的相關(guān)性分析是驗證測試有效性的最終環(huán)節(jié)。目前數(shù)據(jù)表明，地面試驗中在37.4 MeV·cm2/mg條件下未發(fā)生SEL的器件在軌未出現(xiàn)鎖定事件，初步驗證了測試方法的保守性。

然而，在軌驗證面臨多重挑戰(zhàn)：首先，空間輻射環(huán)境的動態(tài)變化（太陽質(zhì)子事件、地磁擾動）難以在地面試驗中完全模擬；其次，在軌監(jiān)測數(shù)據(jù)的分辨率有限，難以區(qū)分SET與SEL的早期征兆；第三，在軌樣本量小，統(tǒng)計置信度不足。因此，在軌驗證應視為對地面試驗的補充而非替代。未來的星載電子系統(tǒng)應集成健康監(jiān)測單元，實時記錄器件工作電流、溫度及錯誤日志，通過遙測數(shù)據(jù)與地面協(xié)同分析，建立SEE效應的在軌預測模型。

6 結(jié)論

本文基于ASP4644、ASM1042S2S、AS32S601ZIT2等多型國產(chǎn)化星載器件的系統(tǒng)性試驗數(shù)據(jù)，客觀評估了SEE閾值測試與防護策略的技術(shù)現(xiàn)狀。研究表明，國產(chǎn)元器件通過設(shè)計加固、工藝優(yōu)化與嚴格測試，在SEL閾值、SEU閾值及TID耐受能力等關(guān)鍵指標上已達到商業(yè)航天級應用要求，部分型號獲得初步在軌驗證。重離子、質(zhì)子與脈沖激光三種測試手段各有優(yōu)勢，協(xié)同測試可構(gòu)建全周期可靠性保障體系。