前沿探索：RISC-V 架构 MCU 在航天级辐射环境下的可靠性测试

摘要

随着商业航天和高可靠应用需求的蓬勃发展，空间辐射环境对电子设备的可靠性和稳定性构成严峻挑战，单粒子效应和总剂量效应是半导体器件在太空环境中面临的主要辐射威胁，半导体器件的抗辐射能力成为决定其在严苛太空环境下可靠运行的关键因素。本文以国科安芯推出的RISC-V架构MCU芯片AS32S601ZIT2为例，分析了该MCU芯片在航天级辐射环境下的系列可靠性测试，包括质子单粒子效应试验、总剂量效应试验以及单粒子效应脉冲激光试验。通过详尽的试验流程、严谨的测试方法以及对试验结果的深入分析，本文旨在为学术界和工业界提供一份关于该型号MCU抗辐射性能的系统性评估报告，助力于推动高可靠半导体器件在航天领域的应用与发展。

一、引言

在现代航天任务中，电子系统面临着复杂而严苛的空间辐射环境，包括高能质子、重离子以及伽马射线等。这些辐射可能导致半导体器件出现单粒子效应、总剂量效应等辐射损伤，进而引发器件性能退化甚至失效。因此，对航天级电子元器件进行系统的抗辐射测试评估，是确保航天任务成功实施的必要环节。

AS32S601ZIT2型MCU作为一款基于32位RISC-V指令集的商业航天级MCU，凭借其高安全、低失效、多I/O以及低成本等特点，在商业航天、核电站等高安全需求场景中具有广阔的应用前景。对其开展系统的抗辐射测试研究，不仅有助于验证其在严苛辐射环境下的可靠性，还能为相关应用领域的系统设计提供关键依据。

二、器件概述

AS32S601ZIT2型MCU芯片采用LQFP144封装形式，工作频率高达180MHz，工作输入电压支持2.7V~5.5V，工作温度范围为-55℃~+125℃。芯片内置512KiB带ECC校正的内部SRAM、512KiB带ECC的D-Flash以及2MiB带ECC的P-Flash，具备丰富的存储资源。此外，该MCU集成了3个12位模数转换器（ADC）、2个模拟比较器（ACMP）、2个8位数模转换器（DAC）和1个温度传感器等模拟外设，以及6路SPI、4路CAN、4路USART、2路I2C等数字通信接口，符合AEC-Q100 grade1认证标准，能够满足多样化应用需求。

三、质子单粒子效应试验

（一）试验目的与依据

质子单粒子效应试验旨在评估AS32S601ZIT2型MCU在100MeV能量、1e7注量率以及1e10总注量条件下的单粒子效应敏感度。该试验严格遵循GJB548B、GJB9397-2018、GB/T32304等多项标准规范，确保试验流程的科学性与严谨性。

（二）试验流程与条件

试验在中国原子能科学研究院100MeV质子回旋加速器上进行。试验前，对样品进行常温测试，确认其参数与功能正常。试验过程中，严格控制试验板和电缆的电磁干扰、机械稳定性等因素，并采用程控电源、PC等设备组成单粒子效应测试系统。试验板号为#3，质子能量设定为100MeV，注量率为1e7，总注量达到1e10。试验结果显示，在整个试验过程中，AS32S601ZIT2型MCU功能正常，未出现单粒子效应，成功通过质子单粒子效应试验，展现出卓越的抗单粒子效应能力。

（三）结果分析

通过对试验数据的细致分析可知，该MCU在面对高能质子辐照时，内部电路未出现异常翻转或锁定现象，各项功能指标稳定，性能表现优异。这一结果充分证明了其在航天任务中抵御单粒子辐射威胁的潜力，为在复杂空间辐射环境下的可靠应用奠定了坚实基础。

四、总剂量效应试验

（一）试验目的与依据

总剂量效应试验的目的是确定AS32S601ZIT2型MCU抗总剂量辐照的能力。该试验依据GJB1649-1993、GJB2712-1996、GJB548C-2023等标准开展，模拟器件在长期累积辐射环境下的性能变化情况。

（二）试验流程与条件

试验在北京大学技术物理系的钴源平台上进行，采用钴60γ射线源作为辐照源，辐射场在试验样品辐照面积内的不均匀性小于10%。辐照剂量测试采用电离室、热释光剂量计等测试系统，测量不确定度小于5%。试验前对样品进行常温功能测试，确认其性能正常。辐照剂量率设定为25rad（Si）/s，总剂量依次达到100krad（Si）和150krad（Si），并在辐照后进行室温以及高温退火处理后的功能参数测试。

（三）结果分析

试验结果表明，AS32S601ZIT2型MCU在经历总剂量辐照后，其工作电流、CAN接口通信以及FLASH/RAM擦写等功能均保持稳定，未出现性能衰退或失效现象。即使在150krad（Si）的过辐照剂量以及高温退火处理后，器件的性能与外观依然合格。这一卓越的抗总剂量辐照能力使其能够适应航天任务中长期累积辐射的严苛挑战，有力地保障了航天电子系统的稳定运行。

五、单粒子效应脉冲激光试验

（一）试验目的与依据

单粒子效应脉冲激光试验通过模拟空间辐射环境中的重离子对器件的影响，进一步评估AS32S601型MCU抗单粒子效应的能力。该试验严格参照GB/T43967-2024、GJB10761-2022、QJ10005A-2018等标准执行，采用皮秒脉冲激光单粒子效应试验装置，以激光正面辐照试验方法对芯片进行全面扫描。

（二）试验流程与条件

试验在中关村B481的脉冲激光单粒子效应实验室进行，环境温度为24℃，湿度为42%RH。试验设备主要包括皮秒脉冲激光单粒子效应装置、直流电源、电控平移台等。在激光试验前，对芯片样品进行开封装处理，使其正面金属管芯表面完全暴露。通过移动观测法测量样品尺寸，并利用CCD成像确定样品的长宽。试验过程中，激光能量从120pJ（对应LET值为（5±1.25）MeV·cm²/mg）开始，逐步提升至1830pJ（对应LET值为（75±18.75）MeV·cm²/mg），以全面评估芯片在不同能量条件下的单粒子效应表现。

（三）结果分析

试验结果显示，当激光能量提升至1585pJ（对应LET值为（75±16.25）MeV·cm²/mg）时，监测到芯片发生了单粒子翻转（SEU）现象。这一结果为深入了解该MCU在单粒子辐射环境下的失效机理提供了关键数据支持，有助于进一步优化器件设计，提升其抗单粒子效应能力。同时，通过对试验数据的深入分析，可以为后续的航天任务中该MCU的应用提供重要的参考依据，制定相应的防护措施以降低单粒子辐射对其工作可靠性的影响。

六、讨论与展望

综合上述系列抗辐射测试结果，AS32S601ZIT2型RISC-V架构MCU在航天级辐射环境下展现出了卓越的可靠性与稳定性。其在质子单粒子效应试验、总剂量效应试验以及单粒子效应脉冲激光试验中的优异表现，充分证明了其具备在商业航天、航天电子系统等领域广泛应用的潜力。

然而，航天辐射环境复杂多变，不同轨道、不同任务所面临的辐射条件存在显著差异。因此，在未来的应用研究中，仍需针对更为严苛与复杂的辐射环境，进一步开展深入的抗辐射测试与评估工作。例如，可对AS32S601ZIT2型MCU进行更高能质子、重离子以及多粒子联合辐照试验，以全面评估其在极端空间辐射环境下的综合性能。

同时，随着半导体制造工艺的不断进步与MCU设计架构的持续优化，有望进一步提升该型号MCU的抗辐射性能。此外，结合先进的抗辐射设计技术与工艺改进，开发出具有更高可靠性、更低功耗以及更强环境适应能力的新型MCU器件，将为航天事业的发展提供更为强大的核心芯片支持，助力人类探索宇宙奥秘的征程不断迈向新的高度。

审核编辑 黄宇