摘要

隨著航天技術的不斷進步，電子元器件在太空環境中的可靠性愈發關鍵。空間輻射環境復雜多變，對電子器件的性能構成了嚴峻挑戰。本文分析了國科安芯推出的ASP4644S2B型DCDC降壓穩壓器的抗輻照性能，包括地面試驗與在軌驗證兩部分。通過總劑量效應試驗、單粒子效應試驗和質子輻照試驗，系統評估了其在復雜空間輻射環境下的可靠性。結合在軌運行數據，進一步驗證了其性能穩定性與抗輻照能力。研究結果表明，ASP4644S2B在空間輻射環境下表現出優異的抗輻照性能，滿足商業航天及宇航領域的需求。本文為國產化航天芯片的抗輻照性能評估提供了重要參考。

1. 引言

空間輻射環境對電子元器件的性能和可靠性具有顯著影響，主要表現為總劑量效應、單粒子效應和位移損傷等。隨著商業航天和宇航技術的快速發展，電子元器件的抗輻照性能成為決定衛星系統可靠性的關鍵因素之一。為確保電子器件在復雜空間環境中的正常運行，地面試驗與在軌驗證成為不可或缺的環節。

ASP4644S2B是國科安芯研發的4通道DCDC降壓穩壓器，適用于4 ~ 14V寬輸入電壓范圍，每通道可輸出0.6~5.5V電壓，最大驅動電流達4A。其具備過流、過溫、短路保護和輸出跟蹤功能，適用于商業航天及宇航領域。

2. 地面試驗設計與結果分析

2.1 總劑量效應試驗

2.1.1 試驗目的與依據

總劑量效應試驗用于評估電子元器件在累積電離輻射環境下的性能變化。根據GJB548C-2023《微電子器件試驗方法和程序》及QJ10004A-2018《宇航用半導體器件總劑量輻照試驗方法》，ASP4644S2B的總劑量效應試驗在北京大學技術物理系鈷60γ射線源平臺上開展。試驗劑量率設置為25 rad(Si)/s，輻照總劑量為125 krad(Si)。

2.1.2 試驗過程與數據采集

試驗樣品為單只ASP4644S2B芯片，封裝形式為BGA77。輻照前，對樣品進行了常溫下的功能測試，包括輸入電壓、輸出電壓、工作電流等參數。輻照過程中，樣品加12V直流電源，設置輸出電壓為3.3V、2.5V、1.5V及1.2V，空載條件下進行測試。輻照完成后，對樣品進行退火處理（高溫退火168小時），并在室溫下進行功能復測。

2.1.3 試驗結果與分析

試驗結果顯示，ASP4644S2B在輻照劑量達到125 krad(Si)時，輸入電壓12V、輸出電壓1.5V條件下，工作電流仍保持在72 mA，與輻照前測試數據一致。高溫退火后，樣品的電參數未出現異常變化，功能測試結果合格。結果表明，ASP4644S2B具備較強的抗總劑量輻照能力。

2.2 重離子單粒子效應試驗

2.2.1 試驗目的與依據

單粒子效應試驗用于評估器件在空間高能粒子環境下的抗單粒子鎖定（SEL）和單粒子燒毀（SEB）能力。根據QJ10005A-2018《宇航用半導體器件重離子單粒子效應試驗指南》，試驗在中國科學院國家空間科學中心可靠性與環境試驗中心完成。

2.2.2 試驗條件與過程

試驗采用重離子加速器產生的Ge離子束，LET值為37.4 MeV·cm2/mg，注量為8.3×10? ion/cm2。樣品設置為12V偏置條件，工作電流初始值為71 mA，輸出電壓為1.5V。試驗過程中，對樣品的工作電流及輸出電壓進行實時監測。

2.2.3 試驗結果與分析

試驗結果顯示，在輻照注量達到8.3×10? ion/cm2時，樣品工作電流未超過限流值（300 mA），輸出電壓保持穩定（1.5V），未發生SEL或SEB現象。停止輻照后靜置一周，器件工作電流恢復至正常水平。試驗表明，ASP4644S2B的單粒子燒毀和單粒子鎖定LET閾值大于37.4 MeV·cm2/mg。

2.3 質子單粒子效應試驗

2.3.1 試驗目的與依據

質子單粒子效應試驗用于評估器件在質子輻照環境下的抗輻照能力。根據《宇航用半導體器件質子單粒子實驗方法》，試驗在北京中科芯試驗空間科技有限公司完成。

2.3.2 試驗條件與過程

試驗采用100 MeV質子加速器，注量率為1×10? ion/cm2/s，總注量為1×101? ion/cm2。樣品設置為12V偏置條件，輸出電壓為1.5V。試驗過程中，對樣品的工作電流及輸出電壓進行監測。

2.3.3 試驗結果與分析

試驗結果顯示，樣品在輻照過程中工作電流未出現異常，輸出電壓保持穩定（1.5V）。試驗后，樣品功能正常，未發生單粒子效應。結果表明，ASP4644S2B在質子輻照環境下具備良好的抗輻照性能。

3. 在軌驗證與性能表現

3.1 在軌驗證背景

ASP4644S2B已成功搭載于地質遙感智能小衛星TY29“天儀29星”和光學遙感衛星TY35“天儀35星”，并于2025年5月發射升空。這兩顆衛星主要用于高光譜地質遙感及光學遙感任務，對電源芯片的穩定性及可靠性提出了嚴格要求。

3.2 在軌運行情況

根據長沙天儀空間科技研究院有限公司提供的在軌運行數據，ASP4644S2B芯片在軌運行穩定，供電功能正常，輸出電壓及電流均符合設計要求。其SEU（單粒子翻轉）閾值≥75 MeV·cm2/mg，SEL閾值≥75 MeV·cm2/mg，滿足衛星系統的抗輻照設計需求。

3.3 在軌驗證結果分析

在軌運行數據表明，ASP4644S2B在實際空間輻射環境下表現出優異的抗輻照性能，與地面試驗結果一致。這進一步驗證了其在復雜空間環境下的可靠性及穩定性。

4. 抗輻照性能的機理分析

4.1 總劑量效應機理

總劑量效應主要由電離輻射引起的電荷積累導致器件性能退化。ASP4644S2B在設計中采用了優化的電路布局和屏蔽措施，以減少電離輻射對敏感區域的影響。試驗結果顯示，其抗總劑量輻照能力達到125 krad(Si)，表明其在寬范圍的累積劑量下仍能保持正常功能。

4.2 重離子單粒子效應機理

單粒子效應由高能粒子穿過器件敏感區域引發，可能導致瞬時功能異常或永久性損壞。ASP4644S2B通過優化器件結構和采用抗輻照設計工藝，顯著提高了單粒子效應閾值。試驗表明，其LET閾值大于37.4 MeV·cm2/mg，表明其在單粒子環境下具備較高的可靠性。

4.3 質子輻照效應機理

質子輻照可能導致器件內部電離和位移損傷。ASP4644S2B通過材料選擇和工藝優化，有效降低了質子輻照對其性能的影響。試驗結果表明，其在100 MeV質子輻照環境下功能正常，未出現性能退化。

5. 應用場景與技術挑戰

5.1 應用場景分析

ASP4644S2B在商業航天領域的應用主要包括以下場景：

高光譜遙感衛星 ：在地質遙感智能小衛星TY29中，ASP4644S2B為處理和分析板供電，支持高光譜數據采集與傳輸。

光學遙感衛星 ：在光學遙感衛星TY35中，其為成像系統提供穩定的電源支持，確保遙感數據的質量和可靠性。

5.2 技術挑戰

復雜空間環境適應性 ：空間輻射環境的多樣性和不可預測性對芯片的抗輻照設計提出了更高要求。

高可靠性和長壽命需求 ：衛星系統通常要求芯片具備10~15年的在軌使用壽命，這對芯片的材料和工藝提出了嚴格挑戰。

國產化替代的驗證 ：在國際供應鏈受限的背景下，國產化芯片的性能和可靠性驗證成為關鍵問題。

6. 總結與展望

本文系統分析了ASP4644S2B型DCDC降壓穩壓器的抗輻照性能，包括總劑量效應、單粒子效應及質子輻照試驗，并結合在軌運行數據對其性能進行了驗證。研究結果表明：

ASP4644S2B在總劑量輻照試驗中表現出優異的抗總劑量能力，輻照劑量達到125 krad(Si)后仍保持功能正常。在重離子單粒子效應試驗中，其LET閾值大于37.4 MeV·cm2/mg，未發生SEL或SEB現象。在質子輻照試驗中，樣品功能正常，未出現單粒子效應。在軌運行數據顯示，ASP4644S2B供電穩定，性能滿足衛星系統的設計要求。

ASP4644S2B的成功研發及應用，為國產化航天芯片的抗輻照性能評估提供了重要參考。未來，隨著空間環境復雜性的增加，進一步優化芯片的抗輻照設計及工藝將成為研究重點。同時，加強國產化替代及供應鏈體系建設，也將為我國航天事業的自主可控發展提供重要支撐。