宇航高可靠微系统筑牢太空新基建的“芯”底座 ——国家重大航天工程背后的微系统自主创新

来源：EETOP

我们用手机导航享受北斗系统带来的全球精准定位服务，当神舟飞船与中国空间站在数百公里轨道完成毫米级的精准交会对接，当嫦娥探测器实现人类首次在月球背面着陆，很多人都不曾想到，这些中国航天成就背后，藏着一枚枚公众很少留意、却影响着航天器在轨性能参数的核心部件：宇航高可靠微系统芯片。

它就像航天器的大脑与神经中枢，为航天器的稳定运行提供保障。而这类高端宇航核心芯片，长期遭受西方国家的技术封锁与产品禁运。中国航天人花了20余年自主攻关，走出了一条完全属于自己的技术路线，为我国航天事业筑牢自主可控的“芯”底座。

大国太空竞争，拼的是航天硬实力

近年来，全球航天产业进入新一轮爆发期，深空探测、载人登月、中国星网等重大工程密集落地并加速实施，太空已成为全球大国科技竞争与战略博弈的新高地。我国卫星互联网工程早在2020年就被正式纳入“新基建”范畴，计划部署上万颗卫星组网，构建覆盖全球的天地一体化通信网络，是支撑“十五五”时期航天强国、网络强国、数字中国战略目标落地的重要基础。

在整个航天器系统中，宇航处理器芯片是电子系统平台的核心组成部分，它是卫星导航制导控制系统、星载综合电子系统、数传通信系统的大脑，其处理性能、可靠性与环境适应性一定程度上决定了航天器的在轨性能和寿命。

随着航天任务功能复杂度和任务复杂度快速提升，航天器平台急需升级换代，对宇航电子系统提出了高性能、小型化、轻量化、低成本、高可靠五大核心需求，传统板级分立电路模式已无法满足当代航天任务小型化、高集成的发展要求。

全球范围内，欧美国家早已启动了宇航电子系统的迭代升级。在美国国家航空航天局高性能航天计算（High Performance Spaceflight Computing，HPSC）计划、美国国防部高级研究计划局通用异构集成与IP 复用战略（Common Heterogeneous Integration and IP Reuse Strategies，CHIPS），通用异构集成与IP复用战略）项目的长期支持下，西方厂商率先用宇航级片上系统（SoC）芯片技术将处理器、存储器、通信接口等功能模块集成在同一体硅或SOI（Silicon On Insulator，绝缘体上硅）晶圆芯片上，相当于实现了一套电子系统核心功能，替代了传统分立电路，实现了功能集成度的量级跃升。

但与此同时，以美国为首的西方国家，对我国实施了严苛的芯片产业链封锁与宇航芯片禁运。高端宇航芯片的禁运，意味着重大航天工程的核心部件随时可能面临“断供”，航天发展的主动权就无法牢牢握在自己手里。沿着国外的单芯片SoC路线追赶，不仅要突破先进抗辐射加固制程封锁，还要经历漫长的验证周期，难度极大。因此，走出一条适配我国产业现状的自主发展路线，成为中国航天产业发展的重要任务。

微系统，到底是什么航天黑科技？

面对国外对先进抗辐射加固制程芯片的技术封锁，微系统技术已成为我国航天电子领域破局的重要手段。简单来说，就是不追求把所有电路都做在同一块体硅或SOI芯片上，而是像搭分层乐高积木一样，把不同功能、不同工艺的芯片在垂直方向上精密堆叠拼接，靠先进封装技术实现完整的系统能力。相较于国外单芯片SoC技术路线，宇航级微系统技术依托国内先进的系统容错设计、前后端抗辐射加固设计技术体系，以及较为成熟的“封装工艺+异构集成”产业链基础，具有符合中国客观实际的独有技术优势。

高度适配宇航场景：集成后的微系统可实现体积大幅缩小、重量显著减轻，很好地满足了航天器对轻量化、小型化的需求；

规避先进制程封锁：不需要追求所有功能集成在单颗SoC芯片的全流程的复杂设计，不依赖先进的抗辐射加固制程工艺，还能大幅压缩研发成本与周期，技术成熟度更高；

环境适应性更强：宇航微系统普遍采用高温共烧陶瓷材料作为封装基底，这种材料导热性能好、机械强度高、耐腐蚀性强、热膨胀适配性优异，是太空极端环境下器件的理想载体。

要让这类高密度集成微系统在太空极端环境下稳定服役超过十五年，仍需攻克多项核心技术难题。

集成度与抗干扰的矛盾：搭建微系统，相当于“在指甲盖大的空间里塞下整套数模混合电路”，多芯片挤在一起容易导致信号互相“打架”，发生串扰，还会影响结构可靠性；

太空环境的预判难题：太空温差超300℃，叠加强辐射、剧烈振动，多重极端条件的耦合影响，很难在地面设计阶段就精准算清楚具体的环境参数，导致设计仿真效率低、精度差；

极端环境的工艺失效风险：普通封装到了太空，容易出现漏气、焊点断裂等问题，一旦发射入轨就无法维修；

可靠性验证成本高、周期长：宇航级测试昂贵、流程繁琐，传统评估维度单一、覆盖不全，发现问题再返工会严重拖慢研发进度。

突破上述四大核心难题，建立自主可控的宇航高可靠微系统技术体系，是提升我国航天产业核心竞争力的重要环节。

换道超车，中国原创的三维异构集成之路

面对行业核心痛点，北京轩宇空间科技有限公司牵头组建研发团队，在15年前就启动了微系统技术攻关，并提出了以三维异构集成为核心的全链条技术路线，为宇航微系统的国产化发展找到了一条切实可行、符合中国实际的技术路线。

这条技术路线的核心逻辑，就是跳出“唯先进制程论”的技术桎梏，不盲目追随国外以先进抗辐射加固制程单芯片SoC为核心的发展路径，而是通过三维异构集成技术，将不同功能、不同工艺的芯片与器件，在封装层面实现高密度、高可靠的垂直集成。通俗来讲，这条路线不用把所有功能都集成在同一块体硅或SOI晶圆芯片上，而是通过精密的架构设计与封装工艺，把不同的“功能积木”精准、稳定地拼接在一起。

这一创新思路，既规避了先进制程的封锁限制，又实现了系统性能的量级跃升，同时还能大幅降低研发成本、缩短研制周期，完美适配宇航场景“多品种、小批量、高可靠、快迭代”的严苛需求。

围绕这条核心路线，研发团队针对高密度集成与抗干扰设计、复杂环境下的多场耦合评估、大尺寸多端口器件封装、微系统可靠性综合评价等挑战开展技术攻关，在架构设计、建模仿真、工艺实现、综合评价等方面打破现有平面高可靠集成技术体制束缚，形成了宇航级高可靠微系统关键技术体系。

这条自主创新的技术路线，不仅成功打破了海外在高端宇航电子器件领域长期构筑的技术壁垒，更走出了一条适配我国半导体产业现状、兼顾性能与可靠性的特色发展道路，为我国宇航电子系统产业的全面自主可控奠定了技术基础。

攻克四大难关，我们实现了核心技术突破

理论路线的落地，离不开关键核心技术的突破。针对宇航微系统的四大挑战，研发团队从架构、仿真、工艺、评价四大维度，实现了一系列原创性技术突破，卓有成效地突破了宇航高可靠微系统从设计到应用的全链条瓶颈（见图1～图2）。

（1）创新实现高可靠微系统异质集成设计，有效解决了信号干扰与集成度矛盾

针对多芯片集成难、信号干扰大、体积重量难压缩的痛点，团队提出了全新的高可靠微系统集成设计方法。这就像是给芯片建“分层独栋别墅”，数字、模拟芯片分腔放置，从物理上隔绝信号干扰，同时大幅缩小体积和重量。

团队根据不同宇航任务的需求，衍生出多款适配性的集成结构，通过双面多腔设计，将数字芯片与模拟芯片分置在不同腔体，既有效抑制了数字噪声，大幅提升了信号质量，又显著缩小了封装体积；同时实现了有源器件与无源分立器件的混合集成，在系统级层面延续了摩尔定律。通过这套创新设计方法，宇航微系统封装相比传统板级电路尺寸缩小80%以上、重量降低80%以上，满足了宇航场景对小型化、轻量化、高可靠的核心需求。

（2）三维集成微系统智能化多场耦合协同设计，实现芯片性能表征的精准评估

针对太空环境下仿真精度差、效率低的行业痛点，团队揭示了空间辐射环境下电-热-力复杂耦合机理，提出了辐照条件下多场耦合建模方法，构建了智能化多场协同设计技术，相当于给微系统打造了一台“太空环境数字孪生体检仪”，在设计阶段就能精准预判器件在轨运行状态。

与传统方法相比，这套技术的仿真误差小于0.15%，计算时间减少63.70%，多场协同设计效率显著提升，有效解决了传统单场独立设计效率低、精度差的问题，实现了从经验主导的迭代设计向数据驱动的智能化协同设计的跨越。

（3）攻克高可靠封装工艺，筑牢极端环境下的器件安全防线

针对宇航微系统封装气密性失效、焊点疲劳寿命不足、轻薄化难以实现的工艺瓶颈，团队开发了一系列封装工艺技术，完成了微米级的“芯片精密外科手术”，构建了完整的宇航级微系统封装工艺体系。

通过低弧度引线键合技术，团队实现了最多10层芯片的叠层封装，满足了微系统轻薄化、高集成的需求；攻克了双面多腔产品气密性封装的核心难点，提出了防止陶瓷封装应力裂纹与熔封孔洞的控制方法，保障了极端环境下的封装气密性；同时大幅提升了焊点焊接强度与疲劳寿命，解决了大尺寸器件互连的可靠性难题。

（4）构建全生命周期综合评价体系，为宇航任务顺利实施保驾护航

针对微系统可靠性评估不准确、测试周期长、成本高的行业痛点，团队提出了基于数据支撑的宇航复杂高可靠微系统综合评价方法，构建了多维度、动态化的可靠性评估体系，相当于为微系统建立了一套“全生命周期在轨健康保障系统”。这套方法充分挖掘了微系统在设计、生产、封装、测试全流程的质量与可靠性信息，建立了精细化工艺可靠性量化模型，解决了传统评估维度单一、结果静态、测试覆盖不全等问题，大幅提升了评估的覆盖度与准确度。相关研究成果已形成一系列宇航高可靠器件详细规范标准，应用于多款重点型号微系统产品的可靠性评价工作。

这颗中国芯，守护了多少中国航天梦？

理论与技术的突破，最终要转化为实实在在的产品与工程应用，才能真正实现价值。基于四大核心技术创新，团队成功研制了多款宇航级微系统系列产品，建立了国内领先的高密度、高可靠陶瓷微系统封装平台，搭建了完整的工艺与设计基线，实现技术成果全链条产业化应用。

在宇航领域，相关产品已批量应用于北斗导航、载人航天、探月工程、火星探测（见图3～图4）等国家重大航天任务，已配套数百颗在轨航天器。实现了星载电子核心系统的三维异构集成和高密度封装，替代了传统分立器件电路，使星载计算机的体积、重量和功耗显著降低，产品可在太空强辐射、极端温差等恶劣环境下连续稳定运行十余年。

与传统分立器件板级方案相比，微系统芯片体积、重量均减少80%以上，研制成本降低60%，研制周期大幅缩短，有效化解了航天电子系统“高性能、高可靠与小型化不可兼得”的根本矛盾，形成了覆盖近地星座到深空探测的通用微系统产品型谱。

与此同时，相关核心技术已成功推广至武器装备、工业控制与智能制造领域。在武器装备领域，技术成果赋能新一代智能装备研制，助力国防战略装备的自主创新与升级换代；在工控与智能制造领域，实现了核心设备便携性的革命性提升，填补了我国复杂大尺寸微系统封装产业链的空白，显著提升了国产特种装备的技术水平与国际竞争力。

目前，该项成果荣获“2025年中国自动化学会科学技术进步奖特等奖”。

奔赴星辰大海，中国“芯”征途永不止步

从“两弹一星”到航天强国，中国航天始终把核心技术牢牢掌握在自己手中。这一枚枚小小的宇航微系统芯片，诠释了中国航天人自立自强的决心和信心，托举着北斗导航、载人航天、探月工程、中国星网等型号任务的顺利实施，也将随着低轨卫星星座的建设，让全球任何角落都能用上稳定的通信与导航服务，最终惠及每一个普通人。

随着我国低轨卫星星座建设、深空探测任务的加速推进以及航天产业的快速发展，宇航高可靠微系统技术迎来了更广阔的应用空间。奔赴太空探索的征途上，这一枚枚中国“芯”将在浩瀚宇宙中镌刻更多属于中国航天人的印记，中国航天自主创新的脚步，将向着星辰大海持续阔步迈进。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2026年5月刊。

专家简介

刘鸿瑾：北京轩宇空间科技有限公司研究员。

刘波：北京控制工程研究所研究员。

王涛：北京航天神舟智能装备科技股份有限公司研究员。

张绍林：北京轩宇空间科技有限公司高级工程师。

李宾：北京轩宇空间科技有限公司研究员。

单光宝：西安电子科技大学教授。

赵英琳：北京轩宇空间科技有限公司工程师。

郑诗琪：北京轩宇空间科技有限公司高级工程师。

李超：北京轩宇空间科技有限公司高级工程师。

于薇薇：北京轩宇空间科技有限公司高级工程师。

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