日本航天元器件发展现状研究

伍尚慧 张轩瑞 李姗玉

（1 中国电子科技集团有限公司第二十七研究所 2 重庆邮电大学）

1 引言

作为航天系统重要组成部分的航天元器件，对保障在轨飞行任务的成功起着至关重要的作用。航天元器件是航天型号研制与生产的重要通用基础产品，对航天产品的性能、寿命、研制周期、成本和发射风险都有着极其重要的作用和影响。20世纪90 年代以来，世界电子工业和信息技术迅猛发展，元器件领域正进入以新型元器件为主体的新时代，航天元器件也面临着长寿命、高可靠、抗辐照等更高的要求。

2 日本航天元器件的发展概况

发展历程

日本电子工业的迅速发展在很大程度上得益于其先进的元器件技术，在该行业的许多产品甚至可以与美国媲美。日本航天型号中使用的无源元器件基本上从日本国内获得，印制电路板和表面组装工艺保证了其电子设计的灵活性，但核心电子元器件仍依赖美国。随着工业结构的调整，日本元器件制造业下滑，导致日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）元器件的合格产品数量急剧降低，不得不从国外进口航天元器件，核心元器件的采购、国外进口法规的限制及进口元器件的质量问题严重影响了日本航天型号的研制和发展，稳定的航天元器件供应成为JAXA首要关注的对象。据统计，日本卫星上所有元器件中，日本国内生产核心元器件价值占总费用的10%，包括高性能微处理器、存储器、现场可编程门阵列（FPGA）等；无源元器件价值占总费用的30%，也主要依靠日本国内生产；其余60%的半导体器件主要依靠进口。

日本十分重视具有战略意义的核心元器件的自主研发，JAXA提出了航天元器件发展的总目标：保障航天系统使用的核心元器件能够在需要时，以合理的价格及时获得，以保持日本元器件在国际上的竞争力，形成能独立掌控的航天元器件技术和开发航天元器件的能力。日本JAXA从2004年开始构建适合本国航天需求的航天元器件标准体系，包括指导元器件生产与使用保证的两大类标准。最先研发出的核心元器件包括DC/DC转换器、功率MOS管、32位脉冲静态随机存取存储器（SRAM）、64位微处理器（MPU）、绝缘体上硅-超大规模集成电路（SOIASIC）、FPGA等。2008年4月，JAXA为了确保航天元器件的稳定，开展了“航天器件综合对策”活动，并积极与欧洲航天局（ESA）进行合作，与ESA签订了JAXA-ESA元器件合作协议。

2014年，日本航天政策发生了重大变化，发布《航天基本计划》，提出了加速航天产业振兴和驱动国家振兴的总体目标，在开发体制和开发重点上做了重大调整。2016年，日本又发布新版的《航天基本计划》，确定了日本未来航天的发展方向，新航天法成为驱动日本航天产业振兴的源动力。

最新研发现状

（1）日本瑞萨电子公司发布航天工业首款抗辐射GaN FET驱动器

2018年2月，日本瑞萨电子公司宣布推出抗辐射加固型100V/200V氮化镓场效应管（GaN FET）低侧驱动器，用于运载火箭、卫星、井下钻井和高可靠性工业应用等领域的初级和次级DC/DC转换器。这些氮化镓器件能够为各种功率电路供电，包括铁氧体开关驱动器、电机控制驱动器电路、加热器控制模块、嵌入式命令模块、100V和28V电源调节以及冗余切换系统等。这些产品展示了增强型氮化镓（eGaN）技术如何提高性能并降低目前由金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）供电的应用成本。在尺寸、质量和功率效率方面将对运载火箭和卫星的设计产生重要影响。

（2）JAXA测试松下公司下一代氮化镓晶体管的抗辐射性能

JAXA筑波航天中心正在进行火箭、卫星以及基础技术的研发工作，开发项目包括：导航制导控制、通信系统、航天电力系统和电子器件。2018年，JAXA对日本松下公司生产的新一代X频段氮化镓功率晶体管开展评估，同时，松下公司宣布开发出金属绝缘体半导体（MIS）型氮化镓功率晶体管。

（3）日本AVX公司推出可满足军事和航天功率电子应用的加固型RC均衡器

2018年9月，日本京瓷集团下属AVX公司推出可用于国防、电子战、航天、测试和测量仪表等领域的加固型图形均衡器（GEQ）系列RC均衡器——EIA 0402和1005公制均衡器，包含高性能氮化钽（TaN）电阻和硅氧氮（SiON）电容，以及AVX专有的汽车用玻璃夹层FLEXITERM表面封装技术，可提供额外的手段以防止在安装过程中的弯曲损坏。

（4）日本NEC公司与AIST合作开发出强抗辐射超低功耗FPGA

日本电气股份有限公司（NEC）与日本国家先进科技研究所（AIST）合作，2017年3月开发出了利用纳米桥（NanoBridge）金属原子迁移型开关技术的FPGA（NB FPGA），具有超强抗辐射和超低功耗的特点。其中，金属原子迁移型开关技术由日本筑波大学和东京大学的五个研究所共同成立的开放创新中心掌握。与当前SRAM型FPGA相比，纳米桥技术将使FPGA的能效提高10倍，且抗辐射性能更好。

（5）JAXA开发新一代抗辐射加固超结功率MOSFET

功率MOSFET和二极管等功率器件由DC/DC转换器或电源开关组成，这两种元器件是卫星电源系统的重要组成部分。卫星的能力取决于设备的效率，特别是在卫星大功率消耗情况下，功率设备损耗较低有助于减少卫星损耗。鉴于上述原因，功率MOSFET的制造商希望减少这些损耗，但这并非易事，因为Ron（导通电阻）和Qg（闸电流）是权衡的关系。2016年JAXA成功开发出采用超结（SJ）技术的先进高性能功率MOSFET。漂移层中周期性pn柱的深度形成超结结构，即使增加n层的浓度也易于扩展沉积层，它可以在保持高击穿的同时降低Ron电压。

2018年，JAXA对该新型MOSFET进行了抗辐射测试，该超结功率MOSFET与传统的同类产品相比，在250V电路中Ron、Qg降低了45%，在600V电路中Ron、Qg降低了75%。在这种功率场效应晶体管中，其重要特点是由于导通电阻较低而采用了超结技术以降低总损耗。这是一项具有发展前景的技术，目前，已改善了MOSFET的权衡特性，并进行了新产品设计。

（6）JAXA航天元器件抗辐射研究

鉴于航天器对高速操作和低功耗的需求，日本JAXA研究了纳米级器件的抗辐射技术，2015年开发出具有高辐射耐受性的航天元器件。JAXA开发的部件是基于0.15μm SOI工艺的抗辐射SOIMPU、SOI-ASIC，目前这些部件已用于多个在轨运行的卫星。与传统器件相比，纳米级晶体管器件具有独特的单粒子翻转（SEU）容限特性，特别是栅极长度小于90nm的晶体管容易受“电荷共享”的影响。在这种小尺寸晶体管器件中，相邻晶体管同时收集由单个离子产生的电荷，传统的辐射加固设计（RHBD）技术对这些装置应用效果不佳。因此，JAXA开始评估基于双互锁存储单元（DICE）电路概念的新型抗辐射电路技术。该技术可防止电荷共享效应并实现纳米级器件的高SEU容限。

3 JAXA未来航天微电子相关研发项目

JAXA国际微电子研讨会（以下简称JAXA会议）一直是航天微电子领域颇具影响力的会议。与会代表均来自世界各地的航天电子专家。会议对包括航天质量认证、航天电子封装和性能需求、航天产品设计研发、项目进展与未来研发方向等进行研讨与发布。2017年10月18－19日，JAXA举办了第30届JAXA会议，提出了未来十年日本空间系统微电子技术发展方向；2018年11月8日又召开了第31届JAXA会议，对往届提出的部分研发项目进行了技术改进和测试。

在日本政府2016年发布的《航天基本计划》中明确了未来在卫星导航、对地观测、通信、科学探索和载人航天等领域的长期发展项目。JAXA的研发部门正在研究各个领域的先进技术，以便根据潜在用户的需求和技术趋势为未来的任务做好准备。除了计划中政府下达的这些任务外，JAXA正在进行航天系统内部概念设计，微电子是决定系统功能和性能最关键的技术之一，JAXA试图从这些概念设计中梳理出本国微电子未来发展愿景。以下就目前JAXA有关航天元器件的主要研发方向进行介绍。

开发宽带隙功率器件

硅是构成航天设备及半导体的主要材料，目前普遍认为硅器件已达到性能极限，作为改善这些设备的一种解决方案，使用宽带隙材料的器件开发备受关注。JAXA非常期待宽带隙材料所具有的高绝缘性能和宽带隙特性应用于中高压功率器件。为了进一步开发航天器，JAXA致力于对电源功率器件的抗辐射和可靠性进行研究。针对以前在研究中发现的宽带隙器件在安全工作区域和器件结构上存在的问题，JAXA打算在未来5年内开发出新一代空间半导体，并将对其可靠性进行评估。

采用SOI工艺和片上系统的新一代MPU

抗辐射MPU是航天核心系统必不可少的重要组成部分。JAXA正在着手开发有助于完成多样化航天任务的功能强、性能高的创新型MPU。

JAXA开发的下一代MPU，作为JAXA抗辐射加固型MPU的新阵容之一，用以满足未来航天任务需求。其最大特点是利用SOI技术的优势实现低功耗，在保持低功耗的同时，与传统的MPU相比，下一代MPU在单位频率上获得了高性能。该产品的高速处理能力将是现在同类产品的10倍。

此外，JAXA下一代MPU采用片上系统（SoC）技术，在芯片上实现各种输入/输出（I/O）功能和大容量存储。其目的旨在保持高负载的前提下降低元器件成本，使其在市场上具有竞争力。

JAXA和承包商还计划将抗辐射设计的开发成果应用于商用微处理器的硬件设计中，这将解决商用精细加工处理器中，由宇宙射线产生的中子而引起的软件误差问题。此举将促使芯片大规模生产，并有助于提高生产稳定性和进一步降低芯片成本。该产品将为日本航天器提供低成本、抗辐射而质量稳定的MPU。

电子元器件高导热基板研究

JAXA致力于电子元器件高导热基板研究。该研究在2017年第30届和2018年第31届JAXA会议上两次均被提出。

未来卫星将为高清观测、大容量高速数据通信等提供海量数据处理能力。高性能电子元器件是进行这种大数据处理所必需的部件。但高性能装置的使用将增加电子基板上的发热和热点，在地面应用的高发热电子元器件通常在空气和水冷却条件下操作。在宇宙高真空环境中，不可能期待空气对流换热，通过衬底的热导率是主要的散热途径。因此，具有高导热性的电子基板即印刷线路板（PWB），已成为未来卫星在允许温度范围内工作时产生大量热量的电子元件的关键技术。

在第30届JAXA会议上提出使用高导热树脂，旨在增加电子基板的有效导热性，开发具有高导热性的电子基板。该研究采用将陶瓷填料填充到树脂中的一种高导热性技术，填料在基质树脂高导热中形成热路径。另外，与基质树脂（例如环氧树脂）相比，陶瓷的导热率通常较高，导热率随着填料填充率或陶瓷填料而增加。使用高导热树脂可以增加电子基板的有效导热性。因此，该基板的特点是使用高导热树脂的绝缘层，它与金属芯和陶瓷基底完全不同。

在第31届JAXA会议上，研究内容除上述高导热树脂外，又增加了采用铜箔和铜嵌入等新技术，即这种印刷电路板的特点是结合使用高导热树脂和金属箔或铜嵌入技术，这些技术将增加PWB的有效导热率。JAXA已对几种不同结构的部分PWB模型进行初步热分析以评估散热性能。

航天陶瓷BGA封装

JAXA正在开发一种用于航天的小型陶瓷球栅阵列封装（BGA）封装，以保护内置大规模集成电路（LSI）芯片和热循环设备。BGA封装技术将为印刷电路板带来高质量的安装工艺，开发成本低，可适用于各种LSI芯片。

正在开发的BGA封装采用具有陶瓷体和金属外壳的气密密封结构。与304 PINS-QFP（引脚数为304的“四侧引脚扁平封装”）相比，在安装面积和质量上减少了80%，通过在封装内的铜钨板和盖子之间内置LSI芯片，实现了辐射屏蔽功能。因封装底部有高温焊球凹坑，焊球支座高度延长2倍。小型陶瓷BGA封装将大大减小空间设备的尺寸和质量，有助于空间设备的小型化。

航天碳纳米管FEC研究

场发射阴极（FEC）是有航天应用前景的电子源，可应用于电动系绳、电力推进、航天器的充电控制和科学仪器中。FEC小巧、结构简单且功耗低，特别适用于小型航天系统。JAXA致力于使用碳纳米管开发FEC。碳纳米管用作电子发射材料，其纳米级管直径可使发射器前端的电场得到增强。JAXA将开展有关FEC电子发射改进、对原子氧环境的耐受性等方面的研究，并进行在轨演示。

研发航天用多层绝缘（超绝缘）材料

日本栃木县钟化株式会社正在开发航天用多层绝缘（MLI/超绝缘）材料。多层绝缘是保护卫星免受太阳辐照或解决卫星设备发热问题的重要材料。该研究将以使用MLI、分析热屏蔽的性能数据为主题，以此来开发空间应用新产品。并将对用于高传热的覆盖层石墨板进行研究，这种新型石墨材料具有柔韧性和可弯曲性，可用于替换热管。

4 结语

目前，世界各国正在向“太空经济”进发，太空经济蕴藏着巨大的机遇，随着数据处理能力的提升和创业趋势的发展，人类社会将发生重大变革。当前，打造空间经济的国际竞争正愈演愈烈，占领太空经济优势已成为各国追逐的目标。近几年，日本在新的航天战略指导下加速发展本土航天元器件，目前已取得了不少研发成果，并已有相当部分应用于航天工程。未来，日本将进一步加强该领域的研发，尤其值得关注的是以JAXA为代表的日本航天机构和企业，以及航天元器件相关的未来发展战略。