星载通信载荷电源管理芯片的 SEE/TID 测试方法与在轨可靠性评估

摘要

星载通信载荷的稳定运行依赖高可靠电源管理芯片，空间辐射引发的单粒子效应（SEE）和总剂量效应（TID）是制约芯片服役寿命的核心因素。本文以国科安芯商业航天级四通道降压稳压器 ASP4644S2B 为研究对象，系统梳理星载电源管理芯片 SEE/TID 测试标准、技术流程与评估体系，整合其破坏性物理分析（DPA）、重离子 / 质子单粒子试验、总剂量试验及在轨应用数据，重点分析测试参数设计与可靠性验证逻辑，并拓展多场景应用适配性，为星载电源管理芯片的测试优化、可靠性评估及场景拓展提供理论与工程参考。

一、引言

商业航天产业的轻量化、高集成化发展，对星载通信载荷电源管理芯片的能量转换效率、功率密度及抗辐射性能提出严苛要求。空间环境中的高能带电粒子会引发 SEE 和 TID 效应，导致芯片功能异常或失效，据统计，25% 以上的航天器电源系统故障与辐射效应直接相关。因此，建立科学的 SEE/TID 测试体系与在轨可靠性评估方法，对保障航天任务安全具有重要工程价值。

ASP4644S2B 作为联合研制的商业航天级芯片，集成功率 MOSFET 与电感，输入电压 4V14V，输出 0.6V5.5V，四通道并联输出电流可达 16A，具备过流 / 过温 / 短路保护功能，通过 AEC-Q104 Grade1 车规认证，已成功应用于地质遥感小卫星，其完整的试验数据与在轨验证案例为星载芯片测试研究提供了典型载体。

二、星载电源管理芯片 SEE 测试方法与试验分析

2.1 SEE 测试标准与核心要求

SEE 测试需通过加速离子源模拟空间辐射，核心要求包括：设备需精确调控离子能量、LET 值与注量率；辐照条件需匹配应用轨道环境，总注量不低于 1×10⁶ ion/cm²；偏置条件模拟实际工作状态，覆盖单通道与多通道模式；效应判定以 SEL/SEB 的电流突变、功能失效为依据。

2.2 ASP4644S2B 芯片 SEE 测试实施与结果

2.2.1 破坏性物理分析（DPA）

依据 GJB4027B-2021 标准，对 2 只 ASP4644S2B 样品进行外部目检、X 光检查、声学扫描显微镜检查、内部目检及键合强度测试。结果显示，样品外观无损伤，内部结构完整，无虚焊或空洞；Au-20μm 键合测试力值 3.2566.806g，Au-30μm 键合测试力值 11.53630.576g，均满足工程要求，验证了芯片制造工艺与结构完整性。

2.2.2 重离子单粒子试验

依据 QJ 10005A-2018 标准，采用⁷⁴Ge 离子（能量 205 MeV，LET 值 37.4 MeV・cm²/mg）辐照样品，总注量 8.3×10⁶ ion/cm²。偏置条件为 12V 输入、1.5V 输出，设置 300mA 限流保护。试验中，辐照至 3×10⁶ ion/cm² 时工作电流达限流值，停束后恢复正常；全程输出电压稳定在 1.5V，未发生 SEL/SEB，SEL/SEB LET 阈值大于 37.4 MeV・cm²/mg。

2.2.3 质子单粒子试验

依据 GJB 548B-2005 标准，采用 100 MeV 质子辐照，注量率 1×10⁷ P・cm⁻²・S⁻¹，总注量 1×10¹⁰ ion/cm²。试验环境温度 15℃~35℃，静电防护满足 GB/T 32304 要求。结果显示，芯片工作电流、输出电压无异常，未出现单粒子效应，验证了低 LET 值辐射环境下的稳定性。

2.3 测试结果分析

ASP4644S2B 的 SEE 测试从结构完整性、高 / 低 LET 值抗辐射能力三个维度完成表征。重离子测试确定了 SEL/SEB 阈值上限，质子测试贴近近地轨道实际环境，DPA 为后续测试提供基础保障。测试中观察到的瞬时电流增大可通过停束恢复，表明芯片内部保护机制与抗辐射设计有效协同，其抗单粒子性能优于同类商业航天级芯片。

三、星载电源管理芯片 TID 测试方法与试验分析

3.1 TID 测试标准与核心要求

TID 测试采用钴 60γ 射线源，依据 QJ 10004A-2018 标准，剂量率选择 0.01~100 rad (Si)/s，总剂量需覆盖预期寿命累积剂量；试验流程包括预处理、初始测试、辐照、中间测试、退火与最终测试；失效判据为关键参数变化量不超过初始值 ±10%，核心监测输入输出电压、静态电流、调整率等参数。

3.2 ASP4644S2B 芯片 TID 测试实施与结果

试验采用钴 60γ 射线源，剂量率 25 rad (Si)/s，总剂量 125 krad (Si)（含 50% 过辐照）。偏置条件为 12V 输入，四通道输出 3.3V、2.5V、1.5V、1.2V，空载测试。初始测试中，输入电流 72mA，输出电压 1.5V，线性调整率 0.03%，负载调整率 0.4%，输出纹波 4.5mV；辐照后及室温退火 168h 后，各项参数无明显变化，变化量均小于 ±1%，抗总剂量指标大于 125 krad (Si)，满足商业航天级要求。

3.3 测试结果分析

ASP4644S2B 优异的抗 TID 性能源于 SMIC .18BCD 工艺的氧化层优化设计、LDO 模块抗辐射加固及封装材料的屏蔽作用。高剂量率测试与过辐照设置提高了结果可靠性，其抗总剂量能力可满足近地轨道 5~10 年服役需求，甚至适配部分地球同步轨道应用。

四、星载电源管理芯片在轨可靠性评估与应用拓展

4.1 在轨可靠性评估体系

评估指标包括性能指标（电压稳定性、电流波动、输出纹波）与可靠性指标（MTBF、失效率）；数据通过航天器遥测系统采集；采用统计分析与趋势预测结合的方法，以地面测试参数为基准，判断在轨表现是否符合要求。

4.2 ASP4644S2B 在轨应用与验证

该芯片应用于 “天仪 29 星”“天仪 35 星”，2025 年 5 月发射入近地轨道，为高光谱成像处理板、数据传输板供电。截至 2025 年 12 月，在轨稳定运行 7 个月，输入电压波动 10V~12V，输出电压稳定在设定值 ±0.01V，电流均流误差小于 ±5%；遭遇 3 次太阳质子事件，累积辐射剂量 12krad (Si)，性能无异常。评估得 MTBF 大于 1×10⁶小时，失效率小于 1×10⁻⁶/ 小时，5 年在轨失效概率小于 0.05%。

4.3 多场景应用适配性分析

4.3.1 商业航天领域

1. 小卫星星座：BGA77 封装（9mm×15mm×4.46mm）集成度高，四通道并联输出满足多载荷供电，抗辐射设计降低任务风险，适配通信、遥感小卫星星座。
2. CubeSat：宽输入电压适配太阳能电池阵，低输出纹波满足精密载荷需求，保护功能提高容错能力，可应用于 1U~3U CubeSat。
3. 深空探测：宽温范围（-55℃~+125℃）与抗总剂量能力，经屏蔽优化后可适配月球、火星探测任务。

4.3.2 车载电子领域

通过 AEC-Q104 Grade1 认证，宽输入电压适配新能源汽车 BMS 供电，多通道输出满足传感器、控制器需求；过温保护（结温 160℃关闭）适应电池包高温环境，抗电磁干扰设计适配车载复杂环境，可应用于动力电池管理系统与车载雷达、摄像头电源模块。

4.3.3 工业与极端环境领域

单通道 4A、四通道 16A 输出能力满足工业机器人关节驱动需求，宽温特性适配工业生产环境；抗辐射与强保护功能使其可应用于核反应堆监测、极地环境监测等极端场景，适配太阳能、蓄电池等多种供电方式。

五、结论与展望

1. 星载电源管理芯片 SEE/TID 测试需遵循 GJB、QJ 系列标准，采用 “DPA + 重离子 + 质子 + TID” 全链条测试体系，可全面表征抗辐射性能。
2. ASP4644S2B 芯片 SEL/SEB LET 阈值大于 37.4 MeV・cm²/mg，抗总剂量能力大于 125 krad (Si)，破坏性物理分析验证了结构完整性，抗辐射性能优异。
3. 在轨运行数据表明，芯片供电稳定、辐射适应性强，MTBF 大于 1×10⁶小时，满足星载通信载荷长期可靠需求。
4. 芯片凭借宽输入电压、多通道输出、多领域认证优势，在商业航天、车载电子、工业控制等领域具备广阔应用前景。

未来可优化先进工艺芯片的 SEE/TID 测试方法，开发多因素耦合测试技术；结合在轨大数据与 AI 技术，完善可靠性预测模型；推动抗辐射设计与测试一体化，降低研发成本；制定跨领域应用标准，促进航天级芯片技术向车载、工业领域转移，助力高端电子制造业高质量发展。

审核编辑 黄宇