日本航天元器件發(fā)展現(xiàn)狀研究

伍尚慧 張軒瑞 李?yuàn)櫽?/p>

（1 中國電子科技集團(tuán)有限公司第二十七研究所 2 重慶郵電大學(xué)）

1 引言

作為航天系統(tǒng)重要組成部分的航天元器件，對保障在軌飛行任務(wù)的成功起著至關(guān)重要的作用。航天元器件是航天型號研制與生產(chǎn)的重要通用基礎(chǔ)產(chǎn)品，對航天產(chǎn)品的性能、壽命、研制周期、成本和發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)都有著極其重要的作用和影響。20世紀(jì)90 年代以來，世界電子工業(yè)和信息技術(shù)迅猛發(fā)展，元器件領(lǐng)域正進(jìn)入以新型元器件為主體的新時(shí)代，航天元器件也面臨著長壽命、高可靠、抗輻照等更高的要求。

2 日本航天元器件的發(fā)展概況

發(fā)展歷程

日本電子工業(yè)的迅速發(fā)展在很大程度上得益于其先進(jìn)的元器件技術(shù)，在該行業(yè)的許多產(chǎn)品甚至可以與美國媲美。日本航天型號中使用的無源元器件基本上從日本國內(nèi)獲得，印制電路板和表面組裝工藝保證了其電子設(shè)計(jì)的靈活性，但核心電子元器件仍依賴美國。隨著工業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，日本元器件制造業(yè)下滑，導(dǎo)致日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）元器件的合格產(chǎn)品數(shù)量急劇降低，不得不從國外進(jìn)口航天元器件，核心元器件的采購、國外進(jìn)口法規(guī)的限制及進(jìn)口元器件的質(zhì)量問題嚴(yán)重影響了日本航天型號的研制和發(fā)展，穩(wěn)定的航天元器件供應(yīng)成為JAXA首要關(guān)注的對象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本衛(wèi)星上所有元器件中，日本國內(nèi)生產(chǎn)核心元器件價(jià)值占總費(fèi)用的10%，包括高性能微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）等；無源元器件價(jià)值占總費(fèi)用的30%，也主要依靠日本國內(nèi)生產(chǎn)；其余60%的半導(dǎo)體器件主要依靠進(jìn)口。

日本十分重視具有戰(zhàn)略意義的核心元器件的自主研發(fā)，JAXA提出了航天元器件發(fā)展的總目標(biāo)：保障航天系統(tǒng)使用的核心元器件能夠在需要時(shí)，以合理的價(jià)格及時(shí)獲得，以保持日本元器件在國際上的競爭力，形成能獨(dú)立掌控的航天元器件技術(shù)和開發(fā)航天元器件的能力。日本JAXA從2004年開始構(gòu)建適合本國航天需求的航天元器件標(biāo)準(zhǔn)體系，包括指導(dǎo)元器件生產(chǎn)與使用保證的兩大類標(biāo)準(zhǔn)。最先研發(fā)出的核心元器件包括DC/DC轉(zhuǎn)換器、功率MOS管、32位脈沖靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器（SRAM）、64位微處理器（MPU）、絕緣體上硅-超大規(guī)模集成電路（SOIASIC）、FPGA等。2008年4月，JAXA為了確保航天元器件的穩(wěn)定，開展了“航天器件綜合對策”活動，并積極與歐洲航天局（ESA）進(jìn)行合作，與ESA簽訂了JAXA-ESA元器件合作協(xié)議。

2014年，日本航天政策發(fā)生了重大變化，發(fā)布《航天基本計(jì)劃》，提出了加速航天產(chǎn)業(yè)振興和驅(qū)動國家振興的總體目標(biāo)，在開發(fā)體制和開發(fā)重點(diǎn)上做了重大調(diào)整。2016年，日本又發(fā)布新版的《航天基本計(jì)劃》，確定了日本未來航天的發(fā)展方向，新航天法成為驅(qū)動日本航天產(chǎn)業(yè)振興的源動力。

最新研發(fā)現(xiàn)狀

（1）日本瑞薩電子公司發(fā)布航天工業(yè)首款抗輻射GaN FET驅(qū)動器

2018年2月，日本瑞薩電子公司宣布推出抗輻射加固型100V/200V氮化鎵場效應(yīng)管（GaN FET）低側(cè)驅(qū)動器，用于運(yùn)載火箭、衛(wèi)星、井下鉆井和高可靠性工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的初級和次級DC/DC轉(zhuǎn)換器。這些氮化鎵器件能夠?yàn)楦鞣N功率電路供電，包括鐵氧體開關(guān)驅(qū)動器、電機(jī)控制驅(qū)動器電路、加熱器控制模塊、嵌入式命令模塊、100V和28V電源調(diào)節(jié)以及冗余切換系統(tǒng)等。這些產(chǎn)品展示了增強(qiáng)型氮化鎵（eGaN）技術(shù)如何提高性能并降低目前由金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）供電的應(yīng)用成本。在尺寸、質(zhì)量和功率效率方面將對運(yùn)載火箭和衛(wèi)星的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重要影響。

（2）JAXA測試松下公司下一代氮化鎵晶體管的抗輻射性能

JAXA筑波航天中心正在進(jìn)行火箭、衛(wèi)星以及基礎(chǔ)技術(shù)的研發(fā)工作，開發(fā)項(xiàng)目包括：導(dǎo)航制導(dǎo)控制、通信系統(tǒng)、航天電力系統(tǒng)和電子器件。2018年，JAXA對日本松下公司生產(chǎn)的新一代X頻段氮化鎵功率晶體管開展評估，同時(shí)，松下公司宣布開發(fā)出金屬絕緣體半導(dǎo)體（MIS）型氮化鎵功率晶體管。

（3）日本AVX公司推出可滿足軍事和航天功率電子應(yīng)用的加固型RC均衡器

2018年9月，日本京瓷集團(tuán)下屬AVX公司推出可用于國防、電子戰(zhàn)、航天、測試和測量儀表等領(lǐng)域的加固型圖形均衡器（GEQ）系列RC均衡器——EIA 0402和1005公制均衡器，包含高性能氮化鉭（TaN）電阻和硅氧氮（SiON）電容，以及AVX專有的汽車用玻璃夾層FLEXITERM表面封裝技術(shù)，可提供額外的手段以防止在安裝過程中的彎曲損壞。

（4）日本NEC公司與AIST合作開發(fā)出強(qiáng)抗輻射超低功耗FPGA

日本電氣股份有限公司（NEC）與日本國家先進(jìn)科技研究所（AIST）合作，2017年3月開發(fā)出了利用納米橋（NanoBridge）金屬原子遷移型開關(guān)技術(shù)的FPGA（NB FPGA），具有超強(qiáng)抗輻射和超低功耗的特點(diǎn)。其中，金屬原子遷移型開關(guān)技術(shù)由日本筑波大學(xué)和東京大學(xué)的五個(gè)研究所共同成立的開放創(chuàng)新中心掌握。與當(dāng)前SRAM型FPGA相比，納米橋技術(shù)將使FPGA的能效提高10倍，且抗輻射性能更好。

（5）JAXA開發(fā)新一代抗輻射加固超結(jié)功率MOSFET

功率MOSFET和二極管等功率器件由DC/DC轉(zhuǎn)換器或電源開關(guān)組成，這兩種元器件是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的重要組成部分。衛(wèi)星的能力取決于設(shè)備的效率，特別是在衛(wèi)星大功率消耗情況下，功率設(shè)備損耗較低有助于減少衛(wèi)星損耗。鑒于上述原因，功率MOSFET的制造商希望減少這些損耗，但這并非易事，因?yàn)镽on（導(dǎo)通電阻）和Qg（閘電流）是權(quán)衡的關(guān)系。2016年JAXA成功開發(fā)出采用超結(jié)（SJ）技術(shù)的先進(jìn)高性能功率MOSFET。漂移層中周期性pn柱的深度形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，即使增加n層的濃度也易于擴(kuò)展沉積層，它可以在保持高擊穿的同時(shí)降低Ron電壓。

2018年，JAXA對該新型MOSFET進(jìn)行了抗輻射測試，該超結(jié)功率MOSFET與傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品相比，在250V電路中Ron、Qg降低了45%，在600V電路中Ron、Qg降低了75%。在這種功率場效應(yīng)晶體管中，其重要特點(diǎn)是由于導(dǎo)通電阻較低而采用了超結(jié)技術(shù)以降低總損耗。這是一項(xiàng)具有發(fā)展前景的技術(shù)，目前，已改善了MOSFET的權(quán)衡特性，并進(jìn)行了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

（6）JAXA航天元器件抗輻射研究

鑒于航天器對高速操作和低功耗的需求，日本JAXA研究了納米級器件的抗輻射技術(shù)，2015年開發(fā)出具有高輻射耐受性的航天元器件。JAXA開發(fā)的部件是基于0.15μm SOI工藝的抗輻射SOIMPU、SOI-ASIC，目前這些部件已用于多個(gè)在軌運(yùn)行的衛(wèi)星。與傳統(tǒng)器件相比，納米級晶體管器件具有獨(dú)特的單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）容限特性，特別是柵極長度小于90nm的晶體管容易受“電荷共享”的影響。在這種小尺寸晶體管器件中，相鄰晶體管同時(shí)收集由單個(gè)離子產(chǎn)生的電荷，傳統(tǒng)的輻射加固設(shè)計(jì)（RHBD）技術(shù)對這些裝置應(yīng)用效果不佳。因此，JAXA開始評估基于雙互鎖存儲單元（DICE）電路概念的新型抗輻射電路技術(shù)。該技術(shù)可防止電荷共享效應(yīng)并實(shí)現(xiàn)納米級器件的高SEU容限。

3 JAXA未來航天微電子相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目

JAXA國際微電子研討會（以下簡稱JAXA會議）一直是航天微電子領(lǐng)域頗具影響力的會議。與會代表均來自世界各地的航天電子專家。會議對包括航天質(zhì)量認(rèn)證、航天電子封裝和性能需求、航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)、項(xiàng)目進(jìn)展與未來研發(fā)方向等進(jìn)行研討與發(fā)布。2017年10月18－19日，JAXA舉辦了第30屆JAXA會議，提出了未來十年日本空間系統(tǒng)微電子技術(shù)發(fā)展方向；2018年11月8日又召開了第31屆JAXA會議，對往屆提出的部分研發(fā)項(xiàng)目進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)和測試。

在日本政府2016年發(fā)布的《航天基本計(jì)劃》中明確了未來在衛(wèi)星導(dǎo)航、對地觀測、通信、科學(xué)探索和載人航天等領(lǐng)域的長期發(fā)展項(xiàng)目。JAXA的研發(fā)部門正在研究各個(gè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，以便根據(jù)潛在用戶的需求和技術(shù)趨勢為未來的任務(wù)做好準(zhǔn)備。除了計(jì)劃中政府下達(dá)的這些任務(wù)外，JAXA正在進(jìn)行航天系統(tǒng)內(nèi)部概念設(shè)計(jì)，微電子是決定系統(tǒng)功能和性能最關(guān)鍵的技術(shù)之一，JAXA試圖從這些概念設(shè)計(jì)中梳理出本國微電子未來發(fā)展愿景。以下就目前JAXA有關(guān)航天元器件的主要研發(fā)方向進(jìn)行介紹。

開發(fā)寬帶隙功率器件

硅是構(gòu)成航天設(shè)備及半導(dǎo)體的主要材料，目前普遍認(rèn)為硅器件已達(dá)到性能極限，作為改善這些設(shè)備的一種解決方案，使用寬帶隙材料的器件開發(fā)備受關(guān)注。JAXA非常期待寬帶隙材料所具有的高絕緣性能和寬帶隙特性應(yīng)用于中高壓功率器件。為了進(jìn)一步開發(fā)航天器，JAXA致力于對電源功率器件的抗輻射和可靠性進(jìn)行研究。針對以前在研究中發(fā)現(xiàn)的寬帶隙器件在安全工作區(qū)域和器件結(jié)構(gòu)上存在的問題，JAXA打算在未來5年內(nèi)開發(fā)出新一代空間半導(dǎo)體，并將對其可靠性進(jìn)行評估。

采用SOI工藝和片上系統(tǒng)的新一代MPU

抗輻射MPU是航天核心系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。JAXA正在著手開發(fā)有助于完成多樣化航天任務(wù)的功能強(qiáng)、性能高的創(chuàng)新型MPU。

JAXA開發(fā)的下一代MPU，作為JAXA抗輻射加固型MPU的新陣容之一，用以滿足未來航天任務(wù)需求。其最大特點(diǎn)是利用SOI技術(shù)的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)低功耗，在保持低功耗的同時(shí)，與傳統(tǒng)的MPU相比，下一代MPU在單位頻率上獲得了高性能。該產(chǎn)品的高速處理能力將是現(xiàn)在同類產(chǎn)品的10倍。

此外，JAXA下一代MPU采用片上系統(tǒng)（SoC）技術(shù)，在芯片上實(shí)現(xiàn)各種輸入/輸出（I/O）功能和大容量存儲。其目的旨在保持高負(fù)載的前提下降低元器件成本，使其在市場上具有競爭力。

JAXA和承包商還計(jì)劃將抗輻射設(shè)計(jì)的開發(fā)成果應(yīng)用于商用微處理器的硬件設(shè)計(jì)中，這將解決商用精細(xì)加工處理器中，由宇宙射線產(chǎn)生的中子而引起的軟件誤差問題。此舉將促使芯片大規(guī)模生產(chǎn)，并有助于提高生產(chǎn)穩(wěn)定性和進(jìn)一步降低芯片成本。該產(chǎn)品將為日本航天器提供低成本、抗輻射而質(zhì)量穩(wěn)定的MPU。

電子元器件高導(dǎo)熱基板研究

JAXA致力于電子元器件高導(dǎo)熱基板研究。該研究在2017年第30屆和2018年第31屆JAXA會議上兩次均被提出。

未來衛(wèi)星將為高清觀測、大容量高速數(shù)據(jù)通信等提供海量數(shù)據(jù)處理能力。高性能電子元器件是進(jìn)行這種大數(shù)據(jù)處理所必需的部件。但高性能裝置的使用將增加電子基板上的發(fā)熱和熱點(diǎn)，在地面應(yīng)用的高發(fā)熱電子元器件通常在空氣和水冷卻條件下操作。在宇宙高真空環(huán)境中，不可能期待空氣對流換熱，通過襯底的熱導(dǎo)率是主要的散熱途徑。因此，具有高導(dǎo)熱性的電子基板即印刷線路板（PWB），已成為未來衛(wèi)星在允許溫度范圍內(nèi)工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量的電子元件的關(guān)鍵技術(shù)。

在第30屆JAXA會議上提出使用高導(dǎo)熱樹脂，旨在增加電子基板的有效導(dǎo)熱性，開發(fā)具有高導(dǎo)熱性的電子基板。該研究采用將陶瓷填料填充到樹脂中的一種高導(dǎo)熱性技術(shù)，填料在基質(zhì)樹脂高導(dǎo)熱中形成熱路徑。另外，與基質(zhì)樹脂（例如環(huán)氧樹脂）相比，陶瓷的導(dǎo)熱率通常較高，導(dǎo)熱率隨著填料填充率或陶瓷填料而增加。使用高導(dǎo)熱樹脂可以增加電子基板的有效導(dǎo)熱性。因此，該基板的特點(diǎn)是使用高導(dǎo)熱樹脂的絕緣層，它與金屬芯和陶瓷基底完全不同。

在第31屆JAXA會議上，研究內(nèi)容除上述高導(dǎo)熱樹脂外，又增加了采用銅箔和銅嵌入等新技術(shù)，即這種印刷電路板的特點(diǎn)是結(jié)合使用高導(dǎo)熱樹脂和金屬箔或銅嵌入技術(shù)，這些技術(shù)將增加PWB的有效導(dǎo)熱率。JAXA已對幾種不同結(jié)構(gòu)的部分PWB模型進(jìn)行初步熱分析以評估散熱性能。

航天陶瓷BGA封裝

JAXA正在開發(fā)一種用于航天的小型陶瓷球柵陣列封裝（BGA）封裝，以保護(hù)內(nèi)置大規(guī)模集成電路（LSI）芯片和熱循環(huán)設(shè)備。BGA封裝技術(shù)將為印刷電路板帶來高質(zhì)量的安裝工藝，開發(fā)成本低，可適用于各種LSI芯片。

正在開發(fā)的BGA封裝采用具有陶瓷體和金屬外殼的氣密密封結(jié)構(gòu)。與304 PINS-QFP（引腳數(shù)為304的“四側(cè)引腳扁平封裝”）相比，在安裝面積和質(zhì)量上減少了80%，通過在封裝內(nèi)的銅鎢板和蓋子之間內(nèi)置LSI芯片，實(shí)現(xiàn)了輻射屏蔽功能。因封裝底部有高溫焊球凹坑，焊球支座高度延長2倍。小型陶瓷BGA封裝將大大減小空間設(shè)備的尺寸和質(zhì)量，有助于空間設(shè)備的小型化。

航天碳納米管FEC研究

場發(fā)射陰極（FEC）是有航天應(yīng)用前景的電子源，可應(yīng)用于電動系繩、電力推進(jìn)、航天器的充電控制和科學(xué)儀器中。FEC小巧、結(jié)構(gòu)簡單且功耗低，特別適用于小型航天系統(tǒng)。JAXA致力于使用碳納米管開發(fā)FEC。碳納米管用作電子發(fā)射材料，其納米級管直徑可使發(fā)射器前端的電場得到增強(qiáng)。JAXA將開展有關(guān)FEC電子發(fā)射改進(jìn)、對原子氧環(huán)境的耐受性等方面的研究，并進(jìn)行在軌演示。

研發(fā)航天用多層絕緣（超絕緣）材料

日本栃木縣鐘化株式會社正在開發(fā)航天用多層絕緣（MLI/超絕緣）材料。多層絕緣是保護(hù)衛(wèi)星免受太陽輻照或解決衛(wèi)星設(shè)備發(fā)熱問題的重要材料。該研究將以使用MLI、分析熱屏蔽的性能數(shù)據(jù)為主題，以此來開發(fā)空間應(yīng)用新產(chǎn)品。并將對用于高傳熱的覆蓋層石墨板進(jìn)行研究，這種新型石墨材料具有柔韌性和可彎曲性，可用于替換熱管。

4 結(jié)語

目前，世界各國正在向“太空經(jīng)濟(jì)”進(jìn)發(fā)，太空經(jīng)濟(jì)蘊(yùn)藏著巨大的機(jī)遇，隨著數(shù)據(jù)處理能力的提升和創(chuàng)業(yè)趨勢的發(fā)展，人類社會將發(fā)生重大變革。當(dāng)前，打造空間經(jīng)濟(jì)的國際競爭正愈演愈烈，占領(lǐng)太空經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢已成為各國追逐的目標(biāo)。近幾年，日本在新的航天戰(zhàn)略指導(dǎo)下加速發(fā)展本土航天元器件，目前已取得了不少研發(fā)成果，并已有相當(dāng)部分應(yīng)用于航天工程。未來，日本將進(jìn)一步加強(qiáng)該領(lǐng)域的研發(fā)，尤其值得關(guān)注的是以JAXA為代表的日本航天機(jī)構(gòu)和企業(yè)，以及航天元器件相關(guān)的未來發(fā)展戰(zhàn)略。