碳化硅|美国国家航空航天局试验证实碳化硅（SiC）集成电路可用于金星探测任务

美国航天航空局（NASA）格伦研究中心的科学家近期完成了一项技术展示——使用碳化硅（SiC）集成电路的电子器件在金星表面恶劣大气环境下首次长时间工作，证实该技术能够支撑在金星表面开展更多科学任务。

背景

由于金星表面上的极端大气环境状况，现有金星探测器只能在金星表面工作几个小时。金星表面温度大约是460℃，高于大多数微波炉；有一个高压力（9.4MPa）且呈酸性的CO2环境。由于商用电子器件并不工作在此环境下，过去金星探测器上的电子器件通常放在抗热和抗压舱中进行保护。这些舱只能持续几个小时，并给航天任务增加不小的质量和成本。

技术基础

在今年早些时候，研究团队在地球大气环境下的微波炉中进行了一次测试，展示了几乎同样的SiC集成电路可在482温度工作超过1000小时。该SiC集成电路最早设计用于节能高效的航空发动机。

试验概述

为了克服金星表面温度和大气环境所带来的挑战，研究团队研发和制造了极其耐用的SiC半导体集成电路——4H-SiC结型场效应管环形振荡器集成电路。然后他们在格伦极端环境设备（GEER）中测试两个这样的芯片。该GEER能够精确地模拟所预计的金星表面环境。试验的SiC集成电路及过程如下图所示。

（a）近完全的组装体，是一个3mm×3mm的11阶 SiC环形振荡器芯片，附着在一个陶瓷基底和由玻璃纤维包裹的线束中。

（b）在进行热测试之前的完整封装体，带有网筛状帽子，可使芯片浸入模拟的金星大气环境中。

（c）经过21.7天的仿真测试后，去掉网筛状帽子。

（d）移去镍合金线后，进行电性能测量。

试验结果

下图为试验前后的芯片表面对比。经过试验，电路对金星表面温度和大气环境的耐受时长达到521小时，是此前展示的金星探测相关任务用电子器件寿命的100倍。

图为试验前后芯片表面对比，上为试验前、下为试验后

该试验的首席电子工程师Phil Neudeck说：“我们将芯片直接暴露在一个高度还原金星表面环境的物理和化学环境中，没有冷却装置和保护性封装。我们证实了电子寿命的延长，两个SiC集成电路在试验完成后仍能工作。”

意义

Neudeck说：“随着技术进一步发展，这样的电子器件能够显著改善金星探测器的设计和任务理念，支持在金星表面的长时间工作。”

金星表面电子研发相关项目负责人Gary Hunter说：“该工作不仅仅支持金星和其他行星探索新科学的可能，也对探索地球相关应用带来显著影响，如在航空发动机中实现新能力、改进工作和减少排放。”