浅谈宇航级芯片：宇航级芯片的技术标准

原创：Simon 半导体芯科技SiSC

北京时间2022年2月9日（美国东部时间2月8日），SpaceX（美国太空探索技术公司）表示，该公司于2月3日发射的一批49颗星链卫星，有40颗因受地磁暴影响而已经或将要在大气层坠毁。

根据SpaceX官方说法，这批卫星发射后的第二天，就受到地磁暴影响，导致卫星所在区域的大气温度上升、密度增加。星载GPS显示，卫星受到的大气阻力较发射前增加了50%，许多卫星很快因大气阻力而脱离轨道。

其实，包括卫星、航天飞机、空间站等在内，游弋在太空中的各种人造飞行器，其内部都含有各类芯片、器件、板卡等大量电子设备。目前，在地球环境内所使用的电子器件等产品，我们熟悉的划分标准是：

但是，工作在太空环境中的电子器件被定义宇航级，因为其工作环境远比地球环境苛刻恶劣。

在太空环境中，存在着大量的高能粒子和宇宙射线。我们生活在被大气层和地球磁层包裹着的地球表面，人们无法感受到这些射线和粒子破坏性。当这些粒子和射线穿透航天器，与元器件的材料相互作用，产生辐射效应，就会引起电子器件性能异常或损毁。比如，由γ光子、质子和中子照射所引发的氧化层电荷陷阱或位移破坏，包括漏电流增加、MOSFET阈值漂移，以及双极晶体管的增益衰减。高能粒子(质子、中子、α粒子和其他重离子)轰击微电子电路敏感区，引发在p-n结两端产生电荷的单粒子效应，可导致软误差、电路闭锁或元件烧毁。高速率的γ或X射线，在极短时间内作用于电路，并在整个电路内产生光电流，可导致闭锁、烧毁和电压坍塌等破坏。这些情况都会导致芯片损毁。抗辐射设计对于宇航级芯片来说，必不可少。

在太空环境中，由于缺少空气的散热，物体的表面温度取决于太阳的光照。物体受光面和被光面的温差非常大。以高度为300~400公里的轨道温度为例，物体受光面温度约为150℃，背光面温度约为-127℃，温差约为300℃。因此，散热设计和宽温设计，对于宇航级芯片非常重要。

另外，宇航级芯片在生产过程中，要使用特殊的晶圆制造、加固、封装等工艺来达到严苛的设计标准。

由此，我们可以看出宇航级芯片的技术标准远在军工级之上。

正是因为宇航级芯片的技术要求高、市场需求有限，导致其价格十分昂贵。比如，Xilinx宇航级芯片XQR5VFX130-1CF1752V封装BGA,每片价格大于120万人民币，且有价无货。宇航级芯片XQR4VSX55-10CF1140V封装CLCC,每片价格大于50万人民币，ATMEL宇航芯片AT697F-KG-E封装MQFP256，每片价格大于60万等等。当然，这其中有涉密因素和“巴统-瓦森纳协议”对我国的限制。

然而，这40颗星链卫星的坠毁，并非卫星的芯片或自身出现问题。SpaceX出于成本和测试等方面考虑，其星链卫星的部署方式是，先将卫星发射至近地高度210公里的低轨道，然后它们自行变轨至更高轨道。而低轨道的大气密度是高轨道的数个数量级，这样就大大增加了遭遇地磁暴的概率。SpaceX所公布的这个区域的大气数据变化，与我国地磁台站观测和计算的结果相符，卫星在此遭遇了强度级别Kp=5的地磁暴。

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审核编辑：符乾江