苍穹之心：厚膜混合集成电源模块的航天需求与国产化战略

2025年8月，北斗三号全球导航系统成功部署的背后，是中国航天人实现了有效载荷部件100%国产化的壮举。这其中，厚膜混合集成电源模块作为航天器的“能量心脏”，在太空极端环境中发挥着不可替代的作用。
太空中的高能粒子辐射（如质子和重离子）会引发单粒子效应，导致电路逻辑错误或短路，并造成器件累积性电离损伤——传统电源难以承受低轨卫星的辐射剂量。

1太空极端环境对电源模块的苛刻需求
太空环境对航天器电源系统提出了三重极端挑战：辐射强度高、温度波动大、机械应力复杂。这些因素共同决定了厚膜电源模块必须采用特殊设计和工艺。
高能粒子辐射会引发单粒子效应，导致电路逻辑错误或短路，并造成器件累积性电离损伤。低轨卫星至少需要承受50krad(Si)的辐射剂量，这是传统电源难以企及的水平。
温度波动方面，太空电源模块需要在-55℃～+125℃的壳温范围内正常工作，存储温度更是要求达到-65℃～+150℃的环境温度。这种极端的温度波动对电源模块的热管理设计和材料选择提出了极高要求。
机械环境同样苛刻。火箭发射过程中产生的极高加速度和强烈随机振动，会导致传统电源模块出现可靠性问题。厚膜混合集成工艺通过特殊的结构设计和材料选择，能够有效抵抗这些机械应力。

2厚膜混合集成技术的突破性优势
厚膜混合集成电源模块采用氧化铝或氮化铝陶瓷基板，通过多层布线实现高密度集成，体积比常规电源缩小50%以上。这种小型化设计对航天应用至关重要，因为卫星对重量和体积有着近乎苛刻的限制。
金属气密封装是另一项关键技术。采用硅铝合金外壳配合平行缝焊工艺，能够严格控制内部水汽含量，防止真空环境材料挥发。这种封装技术确保了电源模块在太空真空环境下的长期可靠性。
微功率设计精准匹配星载传感器、通信芯片的毫瓦级至数瓦级供电需求，显著降低待机功耗，延长卫星能源寿命。这种设计理念满足了现代航天器对高效能源管理的需求。

3国产化进程的艰辛与成就
北斗三号卫星的有效载荷实现了部件级的100%国产化率，这在我国发射的所有卫星中是第一次实现如此高的国产化率。这一成就背后是中国航天人十余年的艰苦努力。
在北斗研制过程中，曾发生关键元器件的外国生产厂家突然通知由于政府原因停止供货的事件。此时国产技术攻关已完成，专家们果断决定用国货替代。
外商得知后态度立刻改变，不仅马上可以供货并且降价一半以上。但这个经历更加坚定了中国推进航天产品国产化的决心。
西安分院在原子钟、行波管放大器、固态放大器、微波开关、大功率隔离器等5大类19项国产化部件方面推进研制，并以“全国大联合”的开阔视野，形成了由20多家科研院所和高校组成的研制队伍。
这些联合研制单位在各自的技术领域内技术实力都是数一数二的，但它们大多没有生产航天级产品的经验。航天产品要经历太空环境的严酷考验，不论在设计还是生产制造、试验验证等各环节，都有着比一般产品更为严苛的把关条件。

4全国产化的战略价值与必要性
实现航天电源模块全国产化具有深远的战略意义。首先，它是确保我国太空资产安全的基础。核心器部件100%国产化意味着不再受制于国际政治风云变幻，能够自主控制太空基础设施的供应链。
全国产化带动了国内相关产业技术水平的提升。如北斗三号使用了中国自主研制的第一片抗辐照四核片上系统芯片SoC2012，以及中国自主知识产权的计算机操作系统SpaceOS2。
芯片的性能是北斗一期使用的进口芯片的几十倍，与当前国际最高水平相当。
全国产化还促进了技术创新和管理模式的变革。为了解决30颗卫星快速生产的问题，西安分院创新提出卫星有效载荷新的设计理念，将硬件平台固化，软件则可以根据需求进行变化及升级。这种模式好比智能手机，可以通过“刷机”实现系统升级，将3年的研制周期缩短了一半，而产量却翻番。

5技术挑战与解决方案
厚膜电源模块在设计过程中面临着多重技术挑战。EMI（电磁干扰）设计是一个典型例子。某型厚膜电源模块随微波接收机进行EMC鉴定试验时，发现在开关频率及倍频处有超差。
这是由于设计EMI滤波电路时，主要考虑了小型化的需求，差模滤波电路采用了一级，同时滤波电容、滤波电感取值较小，滤波能力有限。
热管理设计是另一个挑战。大功率厚膜电源模块需要处理高热量密度问题。宽范围高压输入DC/DC变换器设计采用了高效的散热设计和热管理策略，确保在-55℃～125℃的宽温度范围内正常工作。
内部供电设计也需要特别考虑。宽范围高压输入DC/DC变换器的最低输入电压为90V，最高为400V。
传统的线性稳压供电方式在高电压输入时，线性稳压中的功率管压降大、功率损耗严重，严重影响电路转换效率。设计采用了变压器辅助绕组供电经整流滤波稳压来实现，提供稳定的15V工作电压。

6未来发展方向与应用前景
随着航天技术的不断发展，厚膜混合集成电源模块正朝着更高功率密度、更高效率、更智能管理的方向发展。未来还有几个值得关注的发展方向：
在轨重构能力是一个重要趋势。类似于智能手机可以通过“刷机”实现系统升级，未来航天电源模块也可以通过软件升级改变性能参数。这种能力大大增强了航天器在轨服务的灵活性和寿命。
“北斗+”融合应用正在加速落地。在北京，数万辆出租车已安装应用北斗车载设备；在黑龙江、河南、安徽、四川等农业发展重点地区，基于北斗系统的各类无人驾驶农机可以实现精准作业。这些应用都对航天电源技术提出了新的需求。
深空探测任务需要更高可靠性和更长寿命的电源解决方案。预计到2025年，我国还将建设更加泛在、更加融合、更加智能的综合定位导航授时体系。这要求厚膜电源模块进一步优化性能，提高在极端环境下的适应性。
商业化航天应用推动电源模块向成本控制和规模化生产方向发展。通过远程自动化测试系统，航天机构已具备了4颗卫星同时进行各类测试的能力，卫星有效载荷的测试效率提高了近50%。这种高效率测试方法是实现规模化生产的关键。


今天，基于北斗系统的各类无人驾驶农机在黑龙江、河南、安徽、四川等农业发展重点地区实现精准作业。这些农机依赖的北斗信号，正来自于太空中那些搭载全国产化厚膜电源模块的卫星。中国航天科技集团五院西安分院通过“全国大联合”模式，组建了20多家科研院所和高校的研制队伍，最终实现了有效载荷部件100%国产化。这不仅解决了“卡脖子”问题，更牵引了国内相关技术水平提升，为中国航天持续创新奠定了坚实基础。

审核编辑 黄宇