星载电子系统元器件SEE阈值测试与防护策略研究

摘要 ：随着我国航天事业的快速发展，星载电子系统的自主可控与国产化替代已成为保障国家空间安全的重要战略方向。单粒子效应（Single Event Effects, SEE）作为空间辐射环境对微电子器件造成的主要威胁之一，其阈值测试与防护策略研究在国产化元器件的宇航级应用验证中占据核心地位。本文基于国科安芯推出的ASP4644系列电源管理芯片、ASM1042S2S型CAN FD收发器及AS32S601ZIT2型MCU等多型国产宇航级元器件的试验数据，系统梳理了当前国产化星载电子元器件在SEE效应评估中的技术路径、测试方法体系、防护设计策略及在轨验证现状。通过对比重离子、质子及脉冲激光三种主流SEE测试技术手段，分析了不同测试方法的适用场景与技术局限性；结合破坏性物理分析（DPA）、自主可控等级评估及总剂量效应（TID）协同测试，提出了面向宇航应用的元器件全周期可靠性保障体系。

1 引言

空间辐射环境是制约星载电子系统长期可靠服役的关键因素之一。地球轨道上的高能质子和重离子能够穿透航天器屏蔽层，与集成电路材料发生核反应或直接电离作用，引发单粒子效应（SEE），包括单粒子锁定（SEL）、单粒子翻转（SEU）、单粒子烧毁（SEB）及单粒子功能中断（SEFI）等多种失效模式。

本文聚焦国产化星载电子元器件的SEE阈值测试与防护策略，基于国科安芯推出的ASP4644系列四通道降压稳压器、ASM1042S2S型CAN FD收发器及AS32S601ZIT2型MCU等典型型号的系统性试验数据，开展技术评估与分析。这些元器件由国内多家单位协同研制，通过了工业和信息化部电子第五研究所、中国科学院国家空间科学中心及北京中科芯试验空间科技有限公司等权威机构的第三方测试验证，形成了涵盖DPA分析、自主可控等级评估、重离子/质子辐照试验、脉冲激光模拟及总剂量效应测试的技术链条。

2 国产化星载元器件SEE效应研究现状

2.1 SEE效应机理与宇航级元器件的特殊要求

单粒子效应的物理本质是高能带电粒子在器件敏感区产生电荷沉积，当收集电荷超过临界阈值时引发电路状态改变。对于星载应用，元器件通常需满足LET阈值≥37.4 MeV·cm²/mg的基本要求，部分高轨或深空任务甚至要求≥75 MeV·cm²/mg。传统商用器件的SEE敏感性往往高出1-2个数量级，必须通过工艺加固、设计加固或系统级防护方能满足宇航要求。

当前国产化宇航级元器件主要采用"设计加固+工艺管控+筛选测试"的技术路线。以ASP4644系列为例，该型四通道DC/DC降压稳压器采用BGA77封装，内置功率MOSFET与电感，支持4-14V宽输入电压范围，单通道最大输出电流达5A。根据中国电子元器件自主可控等级评估通用准则，ASP4644I6B与ASP4644M2B型号均获得C级认证，表明其核心原材料与零部件已实现国内供应链主导，关键原材料包括DCDC电源晶圆、肖特基二极管及多层陶瓷电容等主要由国内厂商提供，为后续SEE测试的样本代表性提供了基础保障。

2.2 国产化SEE测试能力体系建设

我国已建立覆盖重离子加速器、质子回旋加速器及脉冲激光模拟的SEE测试平台网络。中国科学院国家空间科学中心拥有H-13串列加速器，可提供LET值达37.4 MeV·cm²/mg的重离子束流；中国原子能科学研究院的100MeV质子回旋加速器可模拟太阳宇宙线及辐射带质子环境；北京中科芯试验空间科技有限公司的脉冲激光系统则提供5-100 MeV·cm²/mg的等效LET值快速评估能力。三类测试手段形成技术互补：重离子试验为鉴定级标准，质子试验评估实际空间质子环境效应，脉冲激光适用于快速筛选与失效机理分析。然而，各测试平台在数据互认、标准执行一致性方面仍存在改进空间。

3 SEE阈值测试方法与技术实现

3.1 重离子单粒子效应试验

重离子试验遵循QJ10005A-2018及ESCC 25100标准，通过加速器产生的高能重离子对开封装器件进行直接辐照。以ASP4644S2B为例，2025年8月在中国原子能科学研究院开展的试验采用74Ge离子，LET值37.4 MeV·cm²/mg，总注量8.3×10⁶ ion/cm²。试验设置12V偏置条件，监测四通道中一路的输出电压与工作电流，DC电源设置300mA限流保护。

试验结果显示，辐照过程中器件工作电流随注量增加呈现缓慢上升趋势，在3×10⁶ ion/cm²时达到限流值300mA，但停止辐照后电流可逐步恢复；继续辐照至8.3×10⁶ ion/cm²时电流超过1A，但经过一周静置后恢复至正常值71mA，输出电压始终稳定在1.5V。该现象符合单粒子瞬态（SET）诱导的闩锁敏感特征，而非破坏性SEL。最终判定ASP4644S2B在测试条件下未发生SEL或SEB现象。需要特别指出的是，37.4 MeV·cm²/mg的测试条件虽满足商业航天级基本要求，但尚不能完全证明器件在更高LET值下的行为特性，这是当前测试能力的主要局限。

ASM1042S2S型CAN FD收发器在相同LET值、注量1×10⁷ ion/cm²条件下，5V工作电流稳定在8mA，5Mbps通信无误码，验证了其在测试条件下的SEL/SEU耐受能力。试验中的在线监测技术包括工作电流实时测量与功能回读比对，确保了对软错误的捕捉能力。

3.2 质子单粒子效应试验

质子试验依据GJB9397-2018及GB18871-2002标准，重点评估器件对空间天然质子环境的敏感性。ASP4644S2B的质子试验于2025年在中国原子能科学研究院100MeV质子回旋加速器上完成，注量率1×10⁷ p·cm⁻²·s⁻¹，总注量1×10¹⁰ p/cm²。试验过程中器件未出现功能异常，判定合格。ASM1042S2S及AS32S601ZIT2型MCU的质子试验同样采用100MeV能量、1×10¹⁰总注量，结果显示均无SEL/SEU现象，验证了其在低LET端（质子LET值约0.1-10 MeV·cm²/mg）的鲁棒性。

质子试验的技术挑战在于其较低LET值难以触发某些加固器件的SEE，但高注量可评估累积效应。试验中需严格控制总剂量累积不超过TID能力的80%，避免剂量效应与位移损伤效应干扰SEE判定。所有质子试验样品均配有未辐照参考样片，以排除测试系统漂移影响。此外，质子试验的环境参数（温度15-35℃，相对湿度20-80%）需严格记录，确保试验可重复性。

3.3 脉冲激光单粒子效应模拟

脉冲激光技术依据GB/T43967-2024及GJB10761-2022标准，利用皮秒激光脉宽短、能量可控的特点，在器件正面或背面注入电荷，模拟重离子效应。AS32S601型MCU的激光试验在LET值5-75 MeV·cm²/mg范围内扫描，当能量达1585pJ（对应LET=65 MeV·cm²/mg）时监测到SEU，引发CPU复位；而未观察到SEL，表明其SEL阈值高于75 MeV·cm²/mg。该结果与重离子试验形成交叉验证，但需注意激光模拟的电荷注入剖面与重离子存在差异，特别是在深层敏感区模拟方面存在局限。

ASM1042系列（SIT1042AQ、TCAN1042HGVD、ASM1042A）的激光试验揭示出不同型号间的敏感性差异：SIT1042AQ在920pJ（LET=37 MeV·cm²/mg）出现SEL；TCAN1042HGVD在610pJ（LET=25 MeV·cm²/mg）出现SEFI，重启无法恢复；而ASM1042A在最高3050pJ（LET=100 MeV·cm²/mg）仍未失效，展现出不同的抗辐照能力。激光试验的快速反馈能力为设计迭代与批次筛选提供了有效手段，但其结果需通过重离子试验最终确认。

4 协同测试与全周期可靠性保障

4.1 破坏性物理分析（DPA）与工艺一致性评估

DPA是宇航元器件批产质量控制的必要环节。ASP4644S2B的DPA报告显示，样品通过外部目检、X射线检查、声学扫描显微镜（SAM）及内部目检，未见分层、空洞或键合异常。键合强度测试采用20μm与30μm金线，拉力值符合GJB548B-2025要求，但报告明确指出"结果仅作工程观察，不作合格判定"，体现了对宇航级器件高可靠性的审慎态度。DPA与SEE测试的关联性在于：金属化缺陷、钝化层不完整等工艺问题会显著降低SEE阈值，因此DPA合格是开展SEE测试的前提。对于塑封器件，SAM检查需特别注意芯片背面分层问题，这可能影响散热与应力分布。

4.2 总剂量效应（TID）与SEE的协同评估

空间辐射环境同时包含电离总剂量与单粒子效应，二者存在协同作用。ASP4644S2B的TID试验参照QJ10004A-2018标准，采用钴60γ源，剂量率25 rad(Si)/s，累积剂量达150 krad(Si)后加50%过辐照（225 krad(Si)）。试验前后工作电流稳定在72mA，输出电压1.5V无漂移，判定抗TID能力>125 krad(Si)。ASM1042S2S与AS32S601ZIT2的TID试验均达标>150 krad(Si)。

TID测试的偏置条件设计需贴近实际工作模式。ASP4644S2B采用12V输入，四通道分别输出3.3V、2.5V、1.5V、1.2V，空载监测1.5V通道，确保内部LDO与功率管均受辐照。AS32S601ZIT2则加3.3V静态偏置，监测CAN通信与FLASH/RAM擦写功能。移位测试的时间间隔控制在72小时内，以捕捉退火效应。协同测试表明，国产元器件在TID与SEE双重应力下性能稳定，但需警惕某些器件在TID损伤后SEE敏感性增加的风险，这要求在实际任务中进行综合裕量设计。

4.3 自主可控等级评估对测试可信度的支撑

依据ZKB3101-001-2022《军用电子元器件自主可控评估通用准则》，ASP4644I6B与M2B型号获C级认证，表明其设计、制造、封装、测试环节实现国内自主可控，但部分原材料存在境外替代风险。关键原材料清单显示，ASP3605晶圆由国科环宇自研，MBR4010DF由富芯森美半导体提供，无源元件与基板均选自风华高科、江西红板等国产供应商，键合丝、塑封料亦实现国产化。自主可控评估为SEE测试提供了供应链可信度背书，确保测试样品与在轨器件的技术状态一致性，这对于测试结果的可追溯性与任务风险评估至关重要。

5 防护策略工程应用分析

5.1 器件级加固设计的实现路径

国产宇航级器件采用多种加固技术：工艺上选用UMC 55nm、VIS 0.15μm BCD等成熟工艺节点，避免FinFET等敏感结构；设计上增加保护环、冗余节点与电流限幅电路；版图优化敏感节点间距，降低电荷共享效应。ASP4644S2B的BGA77封装采用77个焊球阵列，功率地（GND）与信号地（SGND）分离设计，降低单粒子瞬态干扰。内置电感与功率MOSFET的集成设计减少了外部互连，降低了单粒子感应噪声的耦合路径。

AS32S601ZIT2的MCU内核采用RISC-V架构，集成ECC纠错功能的SRAM与FLASH，有效缓解SEU影响。其512KiB SRAM与2MiB P-Flash的存储结构对单粒子翻转的敏感性不同，要求差异化的测试策略。存储器的ECC设计虽能纠正单位错，但对多位翻转（MBU）的防护能力有限，这在高LET值重离子环境中需特别关注。

5.2 系统级防护架构的工程实现

星载电源系统通常采用"浪涌抑制+限流保护+冷冗余"三级防护架构。ASP4644S2B在轨应用中，其4通道并联输出16A能力为卫星载荷供电，测试条件下SEL阈值>37.4 MeV·cm²/mg的设计指标降低了系统级防护压力。实际工程中会配置外部 watchdog 与电流监测电路，一旦检测到异常功耗即触发断电重启，响应时间通常控制在毫秒级。对于多电源并联系统，还需考虑单粒子瞬态引发的输出电压波动对负载的影响，输出端需增加LC滤波与储能电容。

通信系统则通过"看门狗+三模冗余（TMR）+重传机制"应对SEFI与SEU。ASM1042S2S的CAN FD接口支持5Mbps高速率，其SEL阈值在测试条件下表现良好，配合总线级CRC校验与应答机制，可确保数据传输可靠性。对于关键指令传输，常采用双CAN总线冗余与交叉校验策略，避免SEFI导致的总线永久性失效。系统级防护还需考虑单粒子效应对同步信号（如CLKIN/CLKOUT）的干扰，ASP4644S2B的时钟同步功能在测试中未受影响，但在实际任务中仍需评估时钟抖动对分布式系统的影响。

5.3 在轨验证的工程意义与挑战

ASP4644S2B与ASM1042S2S已于2025年5月搭载于TY29"天仪29星"高光谱地质遥感卫星与TY35光学遥感卫星，截至2025年7月在轨运行约2个月期间供电稳定、通信正常。在轨数据与地面试验的相关性分析是验证测试有效性的最终环节。目前数据表明，地面试验中在37.4 MeV·cm²/mg条件下未发生SEL的器件在轨未出现锁定事件，初步验证了测试方法的保守性。

然而，在轨验证面临多重挑战：首先，空间辐射环境的动态变化（太阳质子事件、地磁扰动）难以在地面试验中完全模拟；其次，在轨监测数据的分辨率有限，难以区分SET与SEL的早期征兆；第三，在轨样本量小，统计置信度不足。因此，在轨验证应视为对地面试验的补充而非替代。未来的星载电子系统应集成健康监测单元，实时记录器件工作电流、温度及错误日志，通过遥测数据与地面协同分析，建立SEE效应的在轨预测模型。

6 结论

本文基于ASP4644、ASM1042S2S、AS32S601ZIT2等多型国产化星载器件的系统性试验数据，客观评估了SEE阈值测试与防护策略的技术现状。研究表明，国产元器件通过设计加固、工艺优化与严格测试，在SEL阈值、SEU阈值及TID耐受能力等关键指标上已达到商业航天级应用要求，部分型号获得初步在轨验证。重离子、质子与脉冲激光三种测试手段各有优势，协同测试可构建全周期可靠性保障体系。