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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。

CANFD（CAN 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60（⁶⁰Co）γ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（LET>37.4 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。