為了實現(xiàn)未來的空間系統(tǒng)，并使太空更容易進入，首先，該行業(yè)必須解決抗輻射半導(dǎo)體的問題。太空級功率集成電路（IC）有許多主要的成本驅(qū)動因素需要解決。

空間應(yīng)用所需的抗輻射集成電路（IC）體積大，價格昂貴，并且落后于最先進的性能十多年。推動這些現(xiàn)實的因素包括航天級部件所需的廣泛測試、傳統(tǒng)器件供應(yīng)的減少、設(shè)計抗輻射集成電路的高成本以及密封陶瓷封裝的高成本。

如何使功率抗輻射IC更實惠？我記得我最初幾年在高可靠性產(chǎn)品線的業(yè)務(wù)開發(fā)工作，為空間應(yīng)用開發(fā)IC。當(dāng)我熟悉產(chǎn)品組合和客戶時，我注意到我認為是“傳統(tǒng)”產(chǎn)品的大量銷售。其中許多部件 - 早在1980年代和1990年代設(shè)計 - 仍在設(shè)計到新系統(tǒng)中。此外，通常用于商業(yè)應(yīng)用的功率IC在抗輻射領(lǐng)域售價超過2，000美元。

測試成本高

大多數(shù)抗輻射集成電路都經(jīng)過 MIL-STD-883 和 MIL-PRF-38535 的測試和認證。這些是高可靠性行業(yè)已經(jīng)使用了 20 多年的通用標準。

雖然這些標準幫助政府和供應(yīng)商避免了有時為同一產(chǎn)品管理數(shù)百個定制規(guī)格，但由于航天級產(chǎn)品需要進行廣泛的測試和篩選，與同等商業(yè)功能相比，定價仍然很高。

測試成本往往淹沒了材料成本。一些IC測試可以在制造成本不到一美元的IC上運行數(shù)百美元。這種測試與制造成本的差異在塑料設(shè)備上更為明顯。這種額外的測試應(yīng)該可以提高組件的可靠性。

高可靠性行業(yè)一直在評估更可靠的商業(yè)流程，例如汽車（AEC-Q100）和增強塑料（V62），它們利用過程監(jiān)視器使這些商業(yè)產(chǎn)品更加可靠，而無需航天級產(chǎn)品通常需要昂貴的100%篩選。

由于缺乏用于空間應(yīng)用的最先進的電子設(shè)備，許多客戶求助于升級商業(yè)設(shè)備。上篩 - 包括測試商用現(xiàn)貨（COTS）部件，以查看它們是否符合軍用規(guī)格 - 通常花費數(shù)十萬美元，并且必須為每批新設(shè)備完成。也不能保證這些部件會工作;此外，上篩選過程本身可能導(dǎo)致可靠性問題，例如潛在缺陷。對于功率器件，找到“偶然抗輻射”且適合上篩選的商用IC更加困難。出現(xiàn)這種情況是因為功率IC受到更高的電壓，并且容易受到太空中重離子引起的災(zāi)難性單事件效應(yīng)和總電離劑量（TID）效應(yīng)引起的退化的影響。

作為MIL-PRF-38535規(guī)范的一部分，正在努力標準化空間塑料流。政府機構(gòu)和工業(yè)合作伙伴正在考慮“P級”標準。雖然該標準是朝著正確方向邁出的一步，但它確實計劃納入一些昂貴的篩選步驟，例如100%老化，100%X射線和序列化數(shù)據(jù)日志：所有這些手動完成的昂貴過程。

供應(yīng)減少

許多較舊的航天級組件都在芯片組上，這意味著它們無法再制造，因此供應(yīng)有限。供應(yīng)限制通常發(fā)生在晶圓制造設(shè)施因缺乏業(yè)務(wù)可行性或出于升級目的而關(guān)閉工藝時。有時，這些工藝會被轉(zhuǎn)移到新的制造工廠，但通常情況下，這些工藝會一起過時。即使在工藝轉(zhuǎn)移到新設(shè)施的情況下，這種移動也可能導(dǎo)致IC在電上等效，但輻射性能卻大不相同。

這些舊組件的供應(yīng)減少意味著生產(chǎn)計劃面臨風(fēng)險，組件價格將繼續(xù)上漲。

密封陶瓷封裝成本高

傳統(tǒng)上，太空級元件采用密封陶瓷封裝。密封封裝可保護芯片免受潮濕影響，但通常比塑料封裝貴 100 倍，并且還會對組件的性能產(chǎn)生負面影響。包括政府客戶在內(nèi)的客戶正在花費數(shù)千萬美元在更小、更高性能的工藝節(jié)點中開發(fā)數(shù)字應(yīng)用專用IC（ASIC），但使用的是次優(yōu)封裝。這些陶瓷

IC封裝通過其較長的引線和/或較大的再分布層引入大量電阻和電感。對于抗輻射功率IC，這些封裝帶來的性能下降更為明顯。

對于最先進的組件，商業(yè)制造商幾年前放棄了傳統(tǒng)封裝，選擇了晶圓芯片級封裝（WCSP）。晶圓芯片規(guī)模通過層和晶圓凸塊的重新分布實現(xiàn)近乎理想的芯片到板連接。WCSP可降低寄生電阻和電感，從而對功率IC的效率和性能產(chǎn)生負面影響。不幸的是，由于芯片的熱系數(shù)與用于飛行的電路板之間的差異，WCSP目前不被航天應(yīng)用所接受。鑒定航天級器件所需的大量熱循環(huán)導(dǎo)致 WCSP 的焊點可靠性。

為了降低成本并提高性能，必須為空間應(yīng)用探索更新的封裝技術(shù)。正在與各種供應(yīng)商合作以改進包裝，但他們尚未獲得資格。展望未來，一些新的供應(yīng)商決定只發(fā)布塑料的太空級部件 - 這是一個良好的趨勢，在衛(wèi)星和航天器開發(fā)商中得到更廣泛的采用，特別是在新太空市場。

抗輻射IC設(shè)計成本高

即使是所謂的簡單IC，設(shè)計和產(chǎn)品化也需要花費數(shù)百萬美元。如果需要抗輻射，它至少會貴三倍。IC設(shè)計需要高度專業(yè)化、非常昂貴的計算機輔助設(shè)計（CAD）工具，這些工具使用制造現(xiàn)場開發(fā)的組件和模型，并且特定于工藝節(jié)點。IC有時有數(shù)百萬個晶體管，分布在數(shù)百個原理圖和子系統(tǒng)中。CAD工具以及適當(dāng)?shù)尿炞C是復(fù)雜IC獲得一次通過成功的機會很小的主要原因。

問題是抗輻射設(shè)計破壞了這些工具。抗輻射性能所需的獨特布局和修改導(dǎo)致這些工具吐出數(shù)千個設(shè)計規(guī)則違規(guī)。在這數(shù)千條設(shè)計規(guī)則違規(guī)事件中，可能潛伏著一些關(guān)鍵的東西，比如短路或連接不良。除了設(shè)計規(guī)則檢查器無法正常工作外，確保元件正確連接的布局與原理圖檢查也由于抗輻射修改而不起作用。如果沒有適當(dāng)?shù)墓ぷ鞴ぞ撸晒Φ臋C會是02。這意味著抗輻射IC設(shè)計人員首先必須投入多年和數(shù)百萬美元與制造設(shè)施合作，修改這些工具以正確用于抗輻射設(shè)計。

使用專有的TalRad［輻射晶體管調(diào)整布局］工藝，Apogee Semiconductor正在開發(fā)一種抗輻射混合模擬/數(shù)字PWM［脈寬調(diào)制］控制器，以驅(qū)動GaN ［氮化鎵］和硅FET［場效應(yīng)晶體管］，可與商業(yè)最先進的性能相媲美。這項工作部分由NASA資助，正在與美國宇航局噴氣推進實驗室合作開發(fā)。

即使降低了設(shè)計和封裝成本，測試成本仍然主導(dǎo)著集成電路的經(jīng)常性成本。這就是行業(yè)必須考慮使用汽車工藝流程使用的過程監(jiān)控器并調(diào)整篩選流程以優(yōu)化成本和可靠性的地方。好消息是，供應(yīng)商正在努力降低抗輻射組件的成本，使New Space客戶更容易獲得它們。

審核編輯：郭婷