北京時(shí)間2024年10月30日4時(shí)27分，搭載著神舟十九號載人飛船的長征二號F遙十九運(yùn)載火箭點(diǎn)火發(fā)射，成功將3名航天員送入太空。12時(shí)51分，神舟十九號載人飛船與空間站組合體成功實(shí)現(xiàn)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(shí)24分，神舟十八號載人飛船返回艙在東風(fēng)著陸場成功著陸，3名航天員在軌駐留192天，其間進(jìn)行了2次出艙活動，刷新了中國航天員單次出艙活動時(shí)間紀(jì)錄。

這一連串的成功，無疑振奮了每一個(gè)中國人的心。今天我們就從航空航天領(lǐng)域出發(fā)，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(wèi)星、航天飛機(jī)、空間站等，游弋在太空中的各種人造飛行器，其內(nèi)部都含有大量芯片、器件、板卡等電子設(shè)備。在地球的使用環(huán)境中，電子器件一般可以分為：民用級（消費(fèi)級）、工業(yè)級、汽車級、軍工級。而在太空環(huán)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(shè)計(jì)為-55℃～+150℃，采用冗余的、芯片級多備份、抗輻射抗干擾保護(hù)的電路設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)使用壽命需要＞15年，允許出錯(cuò)率保證為0，造價(jià)非常昂貴且維護(hù)費(fèi)用也非常高。

首先在發(fā)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(diǎn)熔化脫落而失效。進(jìn)入太空后，元器件面臨的第二個(gè)問題就是溫差，而且是快速變化的溫差。當(dāng)面對太陽面時(shí)，溫度迅速升高，最高達(dá)120℃～150℃左右；當(dāng)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(zhuǎn)，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(jīng)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(jìn)行散熱設(shè)計(jì)和寬溫設(shè)計(jì)。

然而對于宇航級元器件來說，在太空環(huán)境中最大的難點(diǎn)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?yàn)橛写髿鈱雍偷厍虼艑影牡厍虮砻妫藗儫o法感受到這些射線和粒子破壞性。而在太空，當(dāng)這些粒子和射線穿透航天器，與元器件的材料相互作用，產(chǎn)生輻射效應(yīng)，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(zhì)子和中子照射所引發(fā)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(zhì)子、中子、α粒子和其他重離子）轟擊微電子電路敏感區(qū)，引發(fā)在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電荷的單粒子效應(yīng)，可導(dǎo)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(shí)間內(nèi)作用于電路，并在整個(gè)電路內(nèi)產(chǎn)生光電流，可導(dǎo)致閉鎖、燒毀和電壓坍塌等破壞。這些情況都會導(dǎo)致元器件的損壞。

引起器件輻射效應(yīng)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(yán)重的輻射效應(yīng)當(dāng)屬“單粒子效應(yīng)”。當(dāng)單粒子鎖定導(dǎo)致芯片內(nèi)部局部短路從而產(chǎn)生大電流燒毀器件時(shí)，可以通過應(yīng)用一些特定工藝或器件庫來避免，而太空中大多數(shù)錯(cuò)誤是由半導(dǎo)體器件的邏輯狀態(tài)跳變而導(dǎo)致的，這種是可恢復(fù)的錯(cuò)誤，如單粒子翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致存儲器內(nèi)容錯(cuò)誤。單粒子翻轉(zhuǎn)（Single-Event Upsets，SEU）指的是元器件受輻照影響引起電位狀態(tài)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(lǐng)域中，元器件的性能并不是第一考慮的要素，對太空環(huán)境的適應(yīng)能力、在太空環(huán)境中的質(zhì)量和可靠性才是最重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)。在商品推廣時(shí)，商家往往會強(qiáng)調(diào)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(dǎo)體制造工藝及其設(shè)計(jì)規(guī)則，不同的制程意味著不同的電路特性，通常來說制程節(jié)點(diǎn)越小，晶體管越小、速度越快、能耗表現(xiàn)越好。在航空領(lǐng)域并不是工藝制程越小越好，因?yàn)橹瞥淘叫。馆椛淠芰υ讲睢榱舜_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(gè)連續(xù)的工藝節(jié)點(diǎn)命名為比前一個(gè)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(cuò)機(jī)制。在同一時(shí)間內(nèi)，三個(gè)功能完全相同的模塊會分別執(zhí)行一樣的操作，這樣即使發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)時(shí)，瞬時(shí)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(jié)果，增強(qiáng)電路系統(tǒng)的可靠性。三模冗余最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是糾錯(cuò)能力強(qiáng)，且設(shè)計(jì)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(gòu)設(shè)計(jì)中還需要確保模塊之間保持較強(qiáng)的獨(dú)立性，在設(shè)計(jì)時(shí)需要具備獨(dú)立的復(fù)位功能，使電路能在出錯(cuò)后盡快通過復(fù)位信號恢復(fù)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(fā)現(xiàn)異常需要立即對電路進(jìn)行復(fù)位。

總之，在航天領(lǐng)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(huán)境如此嚴(yán)苛，宇航級元器件的封裝同樣需要做到非常嚴(yán)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(xì)探討。

關(guān)于宇航級元器件的介紹就到這里，若有不當(dāng)之處歡迎各位朋友予以指正和指教；若與其他原創(chuàng)內(nèi)容有雷同之處，請與我們聯(lián)系。如果您的元器件有高質(zhì)量焊接需求，也可以聯(lián)系我們，或前往我司官網(wǎng)了解，我司的氮?dú)庹婵諣t/甲酸真空爐或許可以滿足您的高質(zhì)量要求。最后，祝愿中國航天事業(yè)蒸蒸日上，我們的目標(biāo)是星辰大海，中國的載人航天，永遠(yuǎn)值得期待！

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