真空回流焊/真空共晶炉——宇航级元器件

北京时间2024年10月30日4时27分，搭载着神舟十九号载人飞船的长征二号F遥十九运载火箭点火发射，成功将3名航天员送入太空。12时51分，神舟十九号载人飞船与空间站组合体成功实现自主快速交会对接，与神舟十八号航天员乘组完成“太空会师”。2024年11月4日01时24分，神舟十八号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆，3名航天员在轨驻留192天，其间进行了2次出舱活动，刷新了中国航天员单次出舱活动时间纪录。

图1.神舟十九号航天员乘组和神舟十八号航天员乘组“全家福”

这一连串的成功，无疑振奋了每一个中国人的心。今天我们就从航空航天领域出发，介绍一下航天圈中如贵族般存在的一种器件：宇航级器件。

图2.宇航级器件示意图

包括卫星、航天飞机、空间站等，游弋在太空中的各种人造飞行器，其内部都含有大量芯片、器件、板卡等电子设备。在地球的使用环境中，电子器件一般可以分为：民用级（消费级）、工业级、汽车级、军工级。而在太空环境中使用的电子器件则被定级为宇航级。宇航级元器件的工作温度设计为-55℃～+150℃，采用冗余的、芯片级多备份、抗辐射抗干扰保护的电路设计，工艺处理需要耐冲击、耐高低温、耐霉菌、抗辐射、抗干扰，采用陶瓷的封装形式，设计使用寿命需要＞15年，允许出错率保证为0，造价非常昂贵且维护费用也非常高。

图3.地球环境中电子器件分级

首先在发射阶段，宇航级元器件就需要禁得住剧烈的抖动和很高的温度，因此在制造阶段就需要良好的封装，防止器件脱落或者焊点熔化脱落而失效。进入太空后，元器件面临的第二个问题就是温差，而且是快速变化的温差。当面对太阳面时，温度迅速升高，最高达120℃～150℃左右；当航天器飞行至地球背面，太阳光被挡住后，温度又跌至-127℃～-150℃左右。而航天器为了维持绕地球旋转，必须保持第一宇宙速度，即7.8km/s，这意味着每90分钟航天器便绕地球一圈。每90分钟便经历一次300℃左右的温差变化，这对于宇航级元器件的要求极高，需要对元器件进行散热设计和宽温设计。

然而对于宇航级元器件来说，在太空环境中最大的难点并不是巨大的温差，而是存在的大量的高能粒子和宇宙射线。因为有大气层和地球磁层包裹着地球表面，人们无法感受到这些射线和粒子的破坏性。而在太空，当这些粒子和射线穿透航天器，与元器件的材料相互作用，产生辐射效应，就会引起电子器件性能退化、异常或损毁，影响航天器的在轨安全。比如，由γ光子、质子和中子照射所引发的氧化层电荷陷阱或位移破坏，包括漏电流增加、MOSFET阈值漂移，以及双极晶体管的增益衰减。高能粒子（质子、中子、α粒子和其他重离子）轰击微电子电路敏感区，引发在PN结两端产生电荷的单粒子效应，可导致软误差、电路闭锁或元件烧毁。高速率的γ或X射线，在极短时间内作用于电路，并在整个电路内产生光电流，可导致闭锁、烧毁和电压坍塌等破坏。这些情况都会导致元器件的损坏。

图4.宇航级芯片应用示意图

引起器件辐射效应的主要空间辐射源包括地球辐射带、银河宇宙射线、太阳宇宙线和人工辐射。其中，对芯片工作影响最为严重的辐射效应当属“单粒子效应”。当单粒子锁定导致芯片内部局部短路从而产生大电流烧毁器件时，可以通过应用一些特定工艺或器件库来避免，而太空中大多数错误是由半导体器件的逻辑状态跳变而导致的，这种是可恢复的错误，如单粒子翻转导致存储器内容错误。单粒子翻转（Single-Event Upsets，SEU）指的是元器件受辐照影响引起电位状态的跳变，“0”变成“1”，或者“1”变成“0”，但一般不会造成器件的物理性损伤。

在航天领域中，元器件的性能并不是第一考虑的要素，对太空环境的适应能力、在太空环境中的质量和可靠性才是最重要的衡量标准。在商品推广时，商家往往会强调芯片的制程，如苹果的5nmA15芯片，三星的3nm芯片等。制程是指特定的半导体制造工艺及其设计规则，不同的制程意味着不同的电路特性，通常来说制程节点越小，晶体管越小、速度越快、能耗表现越好。在航空领域并不是工艺制程越小越好，因为制程越小，抗辐射能力越差。为了确保可靠性，一般会选择较大线宽的制程，如0.18um、90nm、65nm等，而不是一味地追求摩尔定律的前沿制程。（摩尔定律：7876每代工艺都使芯片上的晶体管增加一倍，每个连续的工艺节点命名为比前一个小约 0.7 倍——线性缩放意味着密度加倍）

抗辐射加固方法中，三模冗余是最具有代表性的容错机制。在同一时间内，三个功能完全相同的模块会分别执行一样的操作，这样即使发生单粒子翻转时，瞬时仅能打翻一路，而“三选二”的投票器会选出剩余两路中的正确结果，增强电路系统的可靠性。三模冗余最显著的优点就是纠错能力强，且设计简单，可以大大提高电路可靠性。

图5.三模冗余机制示意图

为了不影响芯片的整体性能，在架构设计中还需要确保模块之间保持较强的独立性，在设计时需要具备独立的复位功能，使电路能在出错后尽快通过复位信号恢复正常，且确保其他正常工作的模块不受影响。此外还需增加异常检测电路，发现异常需要立即对电路进行复位。

总之，在航天领域中，元器件的性能并不是第一考虑要素，可靠性才是重中之重。鉴于使用的环境如此严苛，宇航级元器件的封装同样需要做到非常严格。若您对宇航级元器件的封装感兴趣，我们可以之后再出文章详细探讨。

关于宇航级元器件的介绍就到这里，若有不当之处欢迎各位朋友予以指正和指教；若与其他原创内容有雷同之处，请与我们联系。如果您的元器件有高质量焊接需求，也可以联系我们，或前往我司官网了解，我司的真空回流焊/真空共晶炉或许可以满足您的高质量要求。

图6.我司小型立式真空共晶炉示意图

最后，祝愿中国航天事业蒸蒸日上，我们的目标是星辰大海，中国的载人航天，永远值得期待！

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