北京時間2024年10月30日4時27分，搭載著神舟十九號載人飛船的長征二號F遙十九運載火箭點火發射，成功將3名航天員送入太空。12時51分，神舟十九號載人飛船與空間站組合體成功實現自主快速交會對接，與神舟十八號航天員乘組完成“太空會師”。2024年11月4日01時24分，神舟十八號載人飛船返回艙在東風著陸場成功著陸，3名航天員在軌駐留192天，其間進行了2次出艙活動，刷新了中國航天員單次出艙活動時間紀錄。

這一連串的成功，無疑振奮了每一個中國人的心。今天我們就從航空航天領域出發，介紹一下航天圈中如貴族般存在的一種器件：宇航級器件。包括衛星、航天飛機、空間站等，游弋在太空中的各種人造飛行器，其內部都含有大量芯片、器件、板卡等電子設備。在地球的使用環境中，電子器件一般可以分為：民用級（消費級）、工業級、汽車級、軍工級。而在太空環境中使用的電子器件則被定級為宇航級。宇航級元器件的工作溫度設計為-55℃～+150℃，采用冗余的、芯片級多備份、抗輻射抗干擾保護的電路設計，工藝處理需要耐沖擊、耐高低溫、耐霉菌、抗輻射、抗干擾，采用陶瓷的封裝形式，設計使用壽命需要＞15年，允許出錯率保證為0，造價非常昂貴且維護費用也非常高。

首先在發射階段，宇航級元器件就需要禁得住劇烈的抖動和很高的溫度，因此在制造階段就需要良好的封裝，防止器件脫落或者焊點熔化脫落而失效。進入太空后，元器件面臨的第二個問題就是溫差，而且是快速變化的溫差。當面對太陽面時，溫度迅速升高，最高達120℃～150℃左右；當航天器飛行至地球背面，太陽光被擋住后，溫度又跌至-127℃～-150℃左右。而航天器為了維持繞地球旋轉，必須保持第一宇宙速度，即7.8km/s，這意味著每90分鐘航天器便繞地球一圈。每90分鐘便經歷一次300℃左右的溫差變化，這對于宇航級元器件的要求極高，需要對元器件進行散熱設計和寬溫設計。

然而對于宇航級元器件來說，在太空環境中最大的難點并不是巨大的溫差，而是存在的大量的高能粒子和宇宙射線。因為有大氣層和地球磁層包裹著的地球表面，人們無法感受到這些射線和粒子破壞性。而在太空，當這些粒子和射線穿透航天器，與元器件的材料相互作用，產生輻射效應，就會引起電子器件性能退化、異常或損毀，影響航天器的在軌安全。比如，由γ光子、質子和中子照射所引發的氧化層電荷陷阱或位移破壞，包括漏電流增加、MOSFET閾值漂移，以及雙極晶體管的增益衰減。高能粒子（質子、中子、α粒子和其他重離子）轟擊微電子電路敏感區，引發在PN結兩端產生電荷的單粒子效應，可導致軟誤差、電路閉鎖或元件燒毀。高速率的γ或X射線，在極短時間內作用于電路，并在整個電路內產生光電流，可導致閉鎖、燒毀和電壓坍塌等破壞。這些情況都會導致元器件的損壞。

引起器件輻射效應的主要空間輻射源包括地球輻射帶、銀河宇宙射線、太陽宇宙線和人工輻射。其中，對芯片工作影響最為嚴重的輻射效應當屬“單粒子效應”。當單粒子鎖定導致芯片內部局部短路從而產生大電流燒毀器件時，可以通過應用一些特定工藝或器件庫來避免，而太空中大多數錯誤是由半導體器件的邏輯狀態跳變而導致的，這種是可恢復的錯誤，如單粒子翻轉導致存儲器內容錯誤。單粒子翻轉（Single-Event Upsets，SEU）指的是元器件受輻照影響引起電位狀態的跳變，“0”變成“1”，或者“1”變成“0”，但一般不會造成器件的物理性損傷。

在航天領域中，元器件的性能并不是第一考慮的要素，對太空環境的適應能力、在太空環境中的質量和可靠性才是最重要的衡量標準。在商品推廣時，商家往往會強調芯片的制程，如蘋果的5nmA15芯片，三星的3nm芯片等。制程是指特定的半導體制造工藝及其設計規則，不同的制程意味著不同的電路特性，通常來說制程節點越小，晶體管越小、速度越快、能耗表現越好。在航空領域并不是工藝制程越小越好，因為制程越小，抗輻射能力越差。為了確保可靠性，一般會選擇較大線寬的制程，如0.18um、90nm、65nm等，而不是一味地追求摩爾定律的前沿制程。（摩爾定律：7876每代工藝都使芯片上的晶體管增加一倍，每個連續的工藝節點命名為比前一個小約 0.7 倍——線性縮放意味著密度加倍）

抗輻射加固方法中，三模冗余是最具有代表性的容錯機制。在同一時間內，三個功能完全相同的模塊會分別執行一樣的操作，這樣即使發生單粒子翻轉時，瞬時僅能打翻一路，而“三選二”的投票器會選出剩余兩路中的正確結果，增強電路系統的可靠性。三模冗余最顯著的優點就是糾錯能力強，且設計簡單，可以大大提高電路可靠性。

為了不影響芯片的整體性能，在架構設計中還需要確保模塊之間保持較強的獨立性，在設計時需要具備獨立的復位功能，使電路能在出錯后盡快通過復位信號恢復正常，且確保其他正常工作的模塊不受影響。此外還需增加異常檢測電路，發現異常需要立即對電路進行復位。

總之，在航天領域中，元器件的性能并不是第一考慮要素，可靠性才是重中之重。鑒于使用的環境如此嚴苛，宇航級元器件的封裝同樣需要做到非常嚴格。若您對宇航級元器件的封裝感興趣，我們可以之后再出文章詳細探討。

關于宇航級元器件的介紹就到這里，若有不當之處歡迎各位朋友予以指正和指教；若與其他原創內容有雷同之處，請與我們聯系。如果您的元器件有高質量焊接需求，也可以聯系我們，或前往我司官網了解，我司的氮氣真空爐/甲酸真空爐或許可以滿足您的高質量要求。最后，祝愿中國航天事業蒸蒸日上，我們的目標是星辰大海，中國的載人航天，永遠值得期待！

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