一、引言航天器电子元器件的空间环境适应性是决定任务成败的关键因素。与地面应用不同航天器在轨运行期间持续暴露于高真空、微重力、极端温度交变和高能粒子辐射等恶劣环境中这些因素可能导致电子元器件性能退化甚至功能失效。因此在航天器研制过程中必须对所选用的元器件进行全面的空间环境适应性评估包括地面模拟试验和在轨飞行验证两个环节。地面模拟试验通过加速器辐照、热真空试验和振动试验等手段在有限时间内模拟空间环境的主要效应在轨飞行验证则通过将元器件搭载于实际飞行任务在真实空间环境中考核其长期工作可靠性。CANFDCAN with Flexible Data-rate总线作为经典CAN总线的升级版本在保留原有高可靠性和实时性优势的基础上将数据段传输速率提升至5Mbps有效载荷扩展至64字节更加适应现代航天器综合电子系统对数据吞吐能力的需求。ASM1042S2S型CANFD收发器是近年来国科安芯研制的面向商业航天应用的抗辐射加固通信接口芯片该器件已通过多项地面辐照试验并在商业遥感卫星上完成了在轨飞行验证。本文系统梳理ASM1042S2S的各项空间环境适应性试验数据对该器件的综合可靠性水平进行评估。二、空间环境效应与元器件失效机理2.1 电离辐射总剂量效应空间辐射环境中的高能带电粒子主要为电子和质子穿过半导体器件时通过电离作用在材料中沉积能量。对于MOS结构器件电离辐射在栅氧化层SiO₂中产生电子-空穴对。由于电子在SiO₂中的迁移率远高于空穴大部分电子在电场作用下迅速扫出氧化层而空穴则可能被氧化层中的陷阱捕获形成固定的正空间电荷。这些正电荷导致NMOS晶体管的阈值电压向负方向漂移PMOS晶体管的阈值电压向正方向漂移进而引起晶体管漏电流增大、跨导降低和开关特性退化。当阈值电压漂移量超过一定限度时CMOS逻辑电路可能出现功能失效。对于双极型晶体管总剂量效应主要通过氧化物中的陷阱电荷和界面态影响基区表面复合电流导致电流增益hFE退化。对于BCD工艺器件总剂量效应对CMOS部分的影响通常比双极部分更为显著因为CMOS的栅氧化层是直接暴露在辐射场中的敏感区域。总剂量效应是一种累积效应其严重程度与器件接收的总电离剂量成正比与剂量率单位时间内接收的剂量也存在一定关联。在低剂量率条件下氧化层中产生的空穴有更多时间被陷阱捕获因此低剂量率下的损伤通常比高剂量率下更为严重这一现象称为剂量率增强效应Dose Rate Enhancement Effect。2.2 单粒子效应单粒子效应是指单个高能粒子重离子或质子穿过半导体器件敏感区域时沿其径迹沉积电荷导致器件逻辑状态发生瞬时或永久性变化的现象。根据效应的表现形式和严重程度单粒子效应可分为以下几类单粒子翻转Single Event Upset, SEU指粒子轰击导致存储单元或触发器的逻辑状态发生翻转但不造成器件永久性损坏可通过重写或复位恢复正常单粒子锁定Single Event Latch-up, SEL指粒子轰击触发CMOS器件中的寄生可控硅结构导通形成从电源到地的低阻通路导致电源电流急剧增大若不及时断电器件可能因过热而永久损坏单粒子功能中断Single Event Functional Interrupt, SEFI指粒子轰击导致器件内部控制逻辑进入异常状态使器件暂时失去正常功能通常需要通过复位或重新配置来恢复单粒子烧毁Single Event Burnout, SEB和单粒子栅穿Single Event Gate Rupture, SEGR主要发生在功率器件中指粒子轰击导致器件局部过流或栅氧化层击穿造成永久性损坏。对于CANFD收发器这类接口芯片SEL和SEU是最需要关注的单粒子效应类型。SEL可能导致收发器永久性损坏并引发总线故障SEU则可能导致收发器内部控制寄存器状态改变影响总线工作模式或输出电平。2.3 温度效应与热循环效应航天器在轨运行期间由于太阳辐照和地球阴影的交替作用星载电子设备的温度经历周期性的剧烈变化。在太阳同步轨道中卫星每绕地球一圈约90至100分钟经历一次日照区和阴影区的转换温度循环周期与轨道周期相同。这种周期性的温度交变会在器件封装和互连结构中引起热机械应力长期累积可能导致焊点疲劳、引线断裂和封装开裂等失效模式。此外温度变化还会影响半导体器件的电气参数如晶体管阈值电压、载流子迁移率和PN结正向压降等极端情况下可能导致器件超出规格书规定的工作范围。三、ASM1042S2S总剂量效应试验评估3.1 试验方案设计ASM1042S2S的总剂量效应试验由北京中科芯试验空间科技有限公司承担试验编号ZKX-TID-TP-007。试验方案的设计遵循QJ 10004A-2018《宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法》和GJB 548C-2023《微电子器件试验方法和程序》的相关规定确保试验结果的有效性和可重复性。试验样品为1只ASM1042S2S型CANFD收发器样品编号P1-1#生产单位为北京国科环宇科技股份有限公司。试验前对样品进行了完整的电参数测试和功能验证确认样品初始状态合格。试验采用钴60⁶⁰Coγ射线源辐照剂量率设定为25 rad(Si)/s。虽然该剂量率高于低轨卫星内部实际的剂量率通常为10⁻³至10⁻¹ rad(Si)/s但根据GJB 548C-2023中的加速试验准则当加速因子不超过1000倍时试验结果可用于评估器件的抗TID能力。25 rad(Si)/s的剂量率相对于典型空间剂量率加速约250至25000倍处于可接受的加速范围内。3.2 辐照与测试流程试验采用移位测试方式即样品在辐照室接受辐照后移至测试区域进行电参数测试测试完成后再返回辐照室继续辐照。这种测试方式避免了测试设备受到辐照污染同时允许在辐照过程中对器件进行全面的电性能监测。根据QJ 10004A-2018的要求辐照完毕到电参数测试开始的时间间隔不超过72小时以减少辐射损伤的室温退火对试验结果的影响。试验的总剂量目标分为两个阶段第一阶段为额定剂量100 krad(Si)第二阶段为过辐照剂量150 krad(Si)即额定剂量的1.5倍。过辐照的目的是评估器件在超出设计工作剂量条件下的性能裕量为航天器设计人员提供额外的安全边界。在每个剂量点对器件进行完整的电参数测试包括显性/隐性输出电压、差分输出电压、功耗、环路延迟和CANFD通信功能等。完成150 krad(Si)总剂量辐照后对器件进行168小时高温退火处理退火条件按照GJB 548C-2023的规定执行。高温退火的目的是加速辐射损伤的恢复过程评估器件辐射退化的可逆性。退火后再次进行完整的电参数测试和功能验证。3.3 试验结果分析试验原始记录显示在150 krad(Si)总剂量辐照前器件的CANFD通信功能正常。辐照过程中在50%过辐照点即100 krad(Si)额定剂量完成后和150 krad(Si)总剂量点的电参数测试均合格。具体而言器件的显性输出电压、隐性输出电压、差分输出电压、静态功耗、动态功耗和环路延迟等关键参数的变化量均在规格书规定的容限范围内。高温退火后器件外观无异常电性能测试合格CANFD通信功能正常。根据试验结果ASM1042S2S的抗总剂量辐照指标评定为大于150 krad(Si)。对于典型的低轨卫星任务而言卫星内部电子设备的年总剂量通常在1至10 krad(Si)之间取决于轨道高度、倾角和屏蔽条件。因此150 krad(Si)的抗TID能力意味着该器件可在低轨环境中工作15至150年远超过典型商业卫星3至5年的设计寿命提供了充足的设计裕量。对于更高轨道的任务如中轨导航卫星或地球同步轨道卫星虽然年剂量率更高但150 krad(Si)的指标仍能满足多数任务的需求。四、ASM1042S2S单粒子效应试验评估4.1 重离子单粒子效应试验ASM1042S2S的重离子单粒子效应试验由中国科学院国家空间科学中心可靠性与环境试验中心承担报告编号2025FZ010委托单位为北京国科环宇科技股份有限公司。试验依据QJ 10005A-2018《宇航用半导体器件重离子单粒子效应试验指南》执行。试验辐照源为中国原子能科学研究院H-13串列加速器提供的⁷⁴Ge离子离子能量205 MeV。该离子在硅中的LET值为37.4 MeV·cm²/mg射程为30 μm。30 μm的射程足以穿透器件表面钝化层和金属互连层到达芯片有源区。辐照总注量达到1×10⁷ ion/cm²注量率为2.2×10⁴ ion/cm²/s辐照面积为2cm×2cm。试验过程中器件施加5V静态偏置通过USBCANFD分析仪持续进行数据收发测试实时监测工作电流和通信错误。试验结果表明在累计注量达到1×10⁷ ion/cm²后器件未发生单粒子锁定SEL和单粒子翻转SEU。器件的单粒子锁定阈值和单粒子翻转阈值均评定为大于37.4 MeV·cm²/mg。在低轨空间环境中重离子的LET分布峰值通常在10至50 MeV·cm²/mg范围内37.4 MeV·cm²/mg的试验LET值覆盖了低轨环境中绝大多数重离子的LET范围。根据器件数据手册中的指标ASM1042S2S的SEL和SEU指标达到不低于75 MeV·cm²/mg或10⁻⁵次/器件·天的商业航天等级要求。4.2 质子单粒子效应试验质子单粒子效应试验由北京中科芯试验空间科技有限公司承担报告编号2025-ZZ-BG-004。试验在中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器上进行质子能量为100 MeV。100 MeV质子在硅中的射程约为40mm远大于芯片厚度因此质子能够完全穿透芯片并在整个有源区沉积能量。试验中质子注量率设定为1×10⁷ protons/(cm²·s)总注量达到1×10¹⁰ protons/cm²。试验环境温度为15℃至35℃相对湿度为20%至80%静电防护满足GB/T 32304的要求。试验过程中采用CANFD分析仪对器件进行持续的数据收发功能监测监测参数包括工作电流、数据帧收发正确率和错误帧计数。试验结论为ASM1042S2S型CANFD器件在100 MeV质子、总注量1×10¹⁰ protons/cm²的辐照条件下器件功能正常未出现单粒子效应判定合格。1×10¹⁰ protons/cm²的总注量相当于低轨卫星在轨运行数年至数十年接收的累积质子注量因此该试验结果对于评估器件在低轨质子辐射环境中的长期可靠性具有充分的说服力。4.3 单粒子效应敏感性综合分析结合重离子试验和质子试验的结果可以对ASM1042S2S的单粒子效应敏感性进行综合评估。重离子试验覆盖了高LET、低通量的重离子辐射环境验证了器件对直接电离型单粒子效应的抗扰能力质子试验覆盖了中等LET通过核反应产生的次级重离子、高通量的质子辐射环境验证了器件对间接电离型单粒子效应的抗扰能力。两类试验的综合结果表明ASM1042S2S在低轨空间辐射环境中具备良好的抗单粒子效应能力SEL和SEU的发生概率极低。五、在轨飞行验证与长期可靠性评估5.1 在轨应用背景ASM1042S2S型CANFD收发器已完成在轨飞行验证这是对其空间环境适应性的最终考核。根据长沙天仪空间科技研究院有限公司2025年7月1日出具的《ASM1042S2S芯片在轨应用证明》该器件已在两颗商业遥感卫星上成功搭载应用地质遥感智能小卫星TY29天仪29星和光学遥感卫星TY35天仪35星。这两颗卫星均由长沙天仪空间科技研究院有限公司研制于2025年5月发射入轨运行于低轨太阳同步轨道。在轨应用中ASM1042S2S作为抗辐照CANFD接口芯片以5Mbps的接口速率应用于卫星通信系统的数据传输链路。器件的具体应用场景包括星务计算机与各分系统之间的指令分发和遥测采集以及有效载荷数据在卫星内部各处理单元之间的传输。5.2 在轨运行状态根据在轨应用证明的记载自2025年5月进入太空以来截至2025年7月1日ASM1042S2S芯片运行正常接口通信稳定功能和性能满足卫星在轨应用需求。在约两个月的在轨运行期间两颗卫星分别经历了数百次轨道周期器件持续暴露在空间辐射环境中。虽然两个月的在轨时间相对于卫星的全寿命周期通常为3至5年仍然较短但考虑到低轨辐射环境中单粒子事件和总剂量累积的随机性两个月的无故障运行已经为器件的短期可靠性提供了初步的统计证据。5.3 长期可靠性预测基于地面辐照试验数据和在轨运行数据可以对ASM1042S2S的长期可靠性进行初步预测。在总剂量效应方面假设低轨卫星内部年剂量为5 krad(Si)则150 krad(Si)的抗TID能力对应30年的设计裕量。即使考虑剂量率增强效应和任务期间可能发生的太阳粒子事件器件在5年任务期内的总剂量退化风险极低。在单粒子效应方面根据重离子试验数据LET37.4 MeV·cm²/mg时无SEL/SEU和器件数据手册指标SEU≤10⁻⁵次/器件·天在典型低轨任务中单粒子效应导致的故障概率处于可接受范围内。六、结论ASM1042S2S型CANFD收发器通过了总剂量效应试验150 krad(Si)、重离子单粒子效应试验SEL/SEU阈值37.4 MeV·cm²/mg和质子单粒子效应试验1×10¹⁰ protons/cm²下无故障并已在商业遥感卫星上完成两个月以上的在轨飞行验证。综合地面试验和在轨验证结果该器件具备良好的空间环境适应性能够满足低轨商业航天器对通信接口芯片的抗辐射加固要求。随着在轨飞行时间的进一步累积ASM1042S2S的长期可靠性将得到更为充分的验证。