抗辐照裸片电源与存储器件的工程设计实践

在航天、国防与空间应用高速发展的背景下，行业对于可耐受恶劣环境的高性能高可靠电子产品需求空前旺盛。系统设计师在电源管理与存储电路选型时，需要在抗辐照裸片半导体和成品封装器件之间做出关键取舍。本文对比传统封装器件，阐述选用抗辐照裸片功率、存储半导体带来的各项优势。

认识抗辐照半导体

抗辐照半导体经过特殊设计，能够抵御宇宙射线、太阳耀斑、核事件带来的电离辐射损伤。总电离剂量效应、单粒子效应以及位移损伤会造成器件工作异常、数据损坏乃至永久性失效，空间、国防及核环境相关设备必须依靠这类高可靠器件，保障关键任务顺利完成。

抗辐照器件主要分为两类：

裸片：芯片不带封装外壳，便于用户集成至定制电源或存储多芯片模组中

成品封装：芯片封装在塑料或陶瓷气密封装内并引出引脚，可直接完成板级贴装（图 1）

1.封装器件 (a) 与裸片 (b) 尺寸对比。

抗辐照裸片半导体的核心优势

设计师选择裸片而非封装器件，源于多项实用价值：

・体积重量优化

去除外部封装后，器件占用面积大幅缩减，对于卫星、航天器、高端防务系统这类空间和载重资源紧张的设备至关重要。尺寸与重量优化可以实现整机小型化，提升有效载荷，降低航天发射成本。

・设计集成灵活性提升

借助裸片，工程师可开发高集成度多芯片模组与系统级封装产品（图 2），将电源、存储、逻辑等多种功能集成在单块混合电路中，贴合定制化使用需求。受封装兼容性、寄生参数、外形尺寸制约，成品封装器件很难实现同等集成度。

2. 多颗裸片集成于同一封装构成多芯片模组示意图。

・电气性能更佳

裸片可直接引出布线，缩短互连长度，减小寄生电感与寄生电容，进而实现开关速度更快、信号时延更低、功耗损耗更小、信号完整性更好。在高速存储与电源管理场景中，封装器件内部引线与键合线容易引入多余电气干扰，裸片可规避该问题。

・可定制化封装方案

用户可根据工况与产品需求自主选定封装工艺、材料和布局，通过气密封装、定制热管理、异形结构设计，或是板上芯片、倒装工艺将裸片直接贴装在基板上，而标准封装器件只能沿用原厂既定封装规格。

・热管理能力升级

散热是大功率高可靠系统的设计难点，裸片能够直接固定在散热器或导热基板上（图 3），形成短路径导热结构。对比封装器件（封装壳体易形成散热瓶颈），裸片散热效率大幅提升，器件功率承载能力与使用寿命同步提高。

3. 依靠散热器与导热基板优化散热的结构示意。

・系统抗辐照能力提升

即便裸片与封装器件采用同款抗辐照工艺，裸片依托定制封装与直贴工艺，可搭配屏蔽材料实现优于标准封装的辐射防护，同时可通过整机布局优化，把裸片布置在低辐射区域，进一步提升整机抗辐照性能。

・供应链与交付周期优势

多数场景下抗辐照裸片的供货时间早于同规格封装产品，封装开发、可靠性验证、量产测试会拉长成品交付周期。项目工期紧张时，选用裸片能够加快样机开发与系统集成进度。

与封装半导体对比

成品封装抗辐照器件便于装配、接口标准化、现货可采购，适合标准化要求高、整机条件宽松、需要快速原型验证的项目。但在定制集成、高性能、严苛环境使用场景中存在短板，封装带来更大体积重量、更高寄生参数、有限散热路径，模组定制改造空间不足。

裸片适用重点场景

航天器与卫星

航天产品需要轻量化、小型化、超高抗辐照电子元器件，裸片用于制作高密度混合微电路，在极小体积内集成全部功能，配套定制屏蔽与散热方案。

国防装备

反导系统、机载航电、保密通信等加固型设备依靠裸片的集成与性能优势，定制封装方案满足军工严苛的抗冲击、抗振动、抗辐照规范。

医疗与核仪器

核反应堆、肿瘤放疗设备等高辐射环境中，裸片可集成带定制辐射屏蔽的组件，保障设备稳定与使用安全。

裸片使用的挑战与注意事项

裸片优势突出，但落地存在工艺门槛，因此设计与集成厂商优先和英飞凌 IR HiRel 这类具备完善研发、生产、测试能力的正规半导体企业合作，依托原厂资源完成裸片采购与落地（图 4）。

4.英飞凌 300 毫米洁净车间晶圆实拍。

对于可靠性不可让步的关键任务设备，裸片带来的综合收益通常能够覆盖落地带来的各项难题。

行业趋势与抗辐照裸片发展前景

小型化、高性能、高集成的行业发展方向，持续推动裸片在辐照敏感领域落地。硅通孔、晶圆级封装、先进倒装等芯片互连技术不断成熟，裸片集成方案落地难度持续降低。伴随商业航天扩容、各国探索与防务项目不断推进，高可靠定制抗辐照电子产品需求持续上涨，裸片电源与存储器件将成为下一代装备的关键支撑。

结语

相较封装产品，抗辐照裸片功率与存储半导体在减重、性能、集成、定制化方面优势显著。尽管裸片应用需要专业工艺与设计能力，但在高可靠关键任务设备中收益突出。对于从事航天、军工、高辐射工业设备研发的工程师，选用抗辐照裸片是实现产品高性能、高可靠性与创新设计的重要选择。

英飞凌 IR HiRel 拥有行业稀缺的裸片量产配套能力，旗下多数产品均可提供裸片规格；现有产品若无裸片版本，厂商也可结合应用场景与采购量，配合客户完成器件改制。