購(gòu)買衛(wèi)星的組織一直在尋求從太空資產(chǎn)中獲取不斷增長(zhǎng)的價(jià)值：我們看到成像衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商尋求更高的圖像分辨率、更快的幀速率、更精細(xì)的通道分辨率和更多的通道，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的多光譜和高光譜成像。

當(dāng)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建具有足夠分辨率的成像有效載荷以滿足衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的需求時(shí)，他們會(huì)遇到下行鏈路帶寬受限的長(zhǎng)期問(wèn)題。低地球軌道（LEO）成像衛(wèi)星每秒產(chǎn)生數(shù)十千兆比特的數(shù)據(jù)，每天繞地球運(yùn)行大約16次，通過(guò)空間中繼網(wǎng)絡(luò)向地面發(fā)送恒定的數(shù)據(jù)流是不切實(shí)際的。

從歷史上看，圖像數(shù)據(jù)被壓縮并存儲(chǔ)在衛(wèi)星上;然而，通過(guò)在衛(wèi)星上執(zhí)行更多的數(shù)據(jù)處理，以便將信息而不是原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，可以更有效地使用提供與地面站連接的數(shù)據(jù)中繼網(wǎng)絡(luò)。這種變化推動(dòng)了對(duì)組件的需求激增，這些組件能夠?qū)崿F(xiàn)所需的高數(shù)據(jù)處理速率，同時(shí)滿足嚴(yán)格的耐輻射要求。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（AI/ML）領(lǐng)域的發(fā)展為優(yōu)化下行鏈路帶寬的使用創(chuàng)造了一些有趣的機(jī)會(huì)，例如，通過(guò)消除不包含任何感興趣內(nèi)容的圖像（例如，在監(jiān)測(cè)土地利用的衛(wèi)星中，地面被厚云遮擋的圖像將沒(méi)有價(jià)值;或者在跟蹤海上交通的衛(wèi)星中， 看不到船只的海洋圖像）。此外，AI/ML的使用允許在衛(wèi)星上自動(dòng)決策，從而減少或消除人為分析，這可能會(huì)給成像數(shù)據(jù)的部署增加數(shù)天或數(shù)周的延遲。

隨著飛行任務(wù)要求的發(fā)展，對(duì)空間資產(chǎn)最新技術(shù)的需求明顯而持久;然而，部署在太空中的任何產(chǎn)品都需要滿足可持續(xù)和可靠運(yùn)行的某些基本要求。為地球觀測(cè)成像提供更快的重訪率的需求推動(dòng)了對(duì)實(shí)地衛(wèi)星星座的需求，這反過(guò)來(lái)又推動(dòng)了降低衛(wèi)星購(gòu)置成本的要求。

為了準(zhǔn)備用于空間應(yīng)用的商業(yè)部件，需要三個(gè)關(guān)鍵步驟：輻射評(píng)估、包裝和鑒定。

輻射評(píng)估

太空中的輻射效應(yīng)是普遍存在的，取決于軌道。必須評(píng)估輻射效應(yīng)對(duì)任何運(yùn)往空間的部件的有害影響，因?yàn)檩椛淇赡軐?duì)部件造成物理?yè)p壞，從而造成衛(wèi)星關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行損失。表1總結(jié)了各種地球軌道上的輻射效應(yīng)。

［表1 |地球軌道上的輻射效應(yīng)。

空間中的輻射效應(yīng)分為兩大類：總電離劑量（TID）效應(yīng)和單事件效應(yīng)（SEE）。

TID是指輻射的長(zhǎng)期積累。在大多數(shù)微電子器件中，TID會(huì)導(dǎo)致性能下降和漏電流增加。TID 甚至可能導(dǎo)致功能完全喪失。TID效應(yīng)可能會(huì)隨著晶圓制造工藝的微小差異而變化，因此用于空間應(yīng)用的微電路通常以每個(gè)晶圓批次為基礎(chǔ)提供TID測(cè)試。任何微電路在太空中的成功部署都取決于對(duì)正在飛行的設(shè)備的TID效應(yīng)的完整理解。

SEE是指微電路與單個(gè)亞原子粒子相互作用的結(jié)果。在太空應(yīng)用中，這通常是質(zhì)子或重離子，而在航空應(yīng)用中通常是中子。SEE可分為幾個(gè)子類別：?jiǎn)问录V鎖、單事件翻轉(zhuǎn)、單事件瞬變和單事件功能中斷。

單事件閂鎖是一種現(xiàn)象，其中寄生PNPN ［陽(yáng)極/陰極］結(jié)構(gòu)由于重離子引起的電離而變得正向偏置，傳導(dǎo)電流水平可能對(duì)集成電路造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。

當(dāng)重離子通過(guò)微電路時(shí)，由于硅原子電離和隨后的復(fù)合產(chǎn)生的電流脈沖，在觸發(fā)器和嵌入式存儲(chǔ)元件中會(huì)發(fā)生單事件翻轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)人員可以使用多種形式的緩解措施，例如用于觸發(fā)器的三重模塊化冗余 （TMR） 以及用于存儲(chǔ)器的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正 （EDAC） 編碼和解碼。

雖然觸發(fā)器或嵌入式存儲(chǔ)單元中的單位擾動(dòng)可能產(chǎn)生的影響有限，但如果它們發(fā)生在基于靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的配置存儲(chǔ)器中，則可能是災(zāi)難性的。在這種情況下，單個(gè)重離子會(huì)導(dǎo)致FPGA的功能發(fā)生意外變化。需要以配置清理和修復(fù)的形式產(chǎn)生大量系統(tǒng)開(kāi)銷，以緩解配置干擾。

在組合邏輯中，由單事件輻射效應(yīng)引起的信號(hào)瞬態(tài)變化稱為單事件瞬變，如果在寄存器時(shí)鐘的正好時(shí)刻，瞬態(tài)存在于寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，則可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在這種情況下，瞬態(tài)保留為單位翻轉(zhuǎn)。隨著時(shí)鐘頻率的增加，捕獲瞬態(tài)的概率也會(huì)增加。

任何導(dǎo)致集成電路功能變化的單個(gè)輻射事件稱為單個(gè)事件功能中斷。隨著集成電路（IC）變得越來(lái)越復(fù)雜，發(fā)生單事件功能中斷的模式數(shù)量急劇增加。

任何微電路在太空中的成功部署都取決于對(duì)正在飛行的設(shè)備的輻射效應(yīng)的全面了解。因此，對(duì)于開(kāi)發(fā)航天硬件的組織來(lái)說(shuō)，獲得采購(gòu)飛行部件的確切晶圓批次的測(cè)試數(shù)據(jù)非常重要。然而，對(duì)輻射效應(yīng)的評(píng)估需要破壞性試驗(yàn);飛行裝置不能測(cè)試輻射效應(yīng)，因?yàn)檫@會(huì)嚴(yán)重影響部件的預(yù)期壽命。TID效應(yīng)的測(cè)試是在每個(gè)晶圓批次的樣品基礎(chǔ)上進(jìn)行的。SEE測(cè)試在產(chǎn)品壽命的早期進(jìn)行，因?yàn)镾EE依賴于集成電路設(shè)計(jì)，并且往往不會(huì)隨著晶圓制造工藝而變化太大。

商業(yè)零件必須格外小心，因?yàn)槿魏紊虡I(yè)零件的運(yùn)輸都可能來(lái)自不同的晶圓批次 - 甚至可能是不同的芯片修訂甚至不同的代工廠 - 這可能會(huì)大大增加零件中輻射效應(yīng)的可變性。如果沒(méi)有嚴(yán)格的可追溯性，就不可能確定接受輻射測(cè)試的部件是否代表正在飛行的部件。相比之下，為太空飛行提供的微電路通常具有完整的批次可追溯性，設(shè)備制造商可以為采購(gòu)飛行部件的特定晶圓批次提供TID測(cè)試數(shù)據(jù)。

包裝

密封陶瓷封裝用于高可靠性衛(wèi)星中使用的大多數(shù)微電路。使用陶瓷封裝有三個(gè)主要原因。第一個(gè)涉及陶瓷封裝的可檢查性：管理空間系統(tǒng)所用組件制造和測(cè)試的軍事標(biāo)準(zhǔn)（例如MIL-PRF 38534、MIL-PRF 38535和MIL-STD 883 B類）要求在密封封裝之前對(duì)封裝中的集成電路進(jìn)行第三方檢查，以便驗(yàn)證組件的質(zhì)量。在蓋子密封之前，很容易在陶瓷包裝中進(jìn)行檢測(cè)。

陶瓷封裝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在極端溫度或真空中，陶瓷材料不會(huì)釋放蒸汽，這種現(xiàn)象稱為除氣。相比之下，塑料封裝會(huì)釋放蒸汽，這會(huì)導(dǎo)致太空中的光學(xué)元件起霧。密封陶瓷封裝的最后一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們可以在航天硬件的組裝和集成過(guò)程中保護(hù)內(nèi)部的微電子元件免受有害水分或電路板清潔液的侵入。

由于這些原因，最嚴(yán)格和最高級(jí)別的任務(wù)（例如國(guó)家安全太空任務(wù)和載人航天任務(wù)）都需要密封陶瓷封裝。

隨著性能要求的提高，陶瓷封裝面臨著一些日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代IC需要的更多I/O引腳要求信號(hào)、電源和接地引腳安裝在封裝底部的2D陣列中，而不是像陶瓷四方扁平封裝（CQFP）等傳統(tǒng)封裝那樣在封裝外部線性排列引腳。封裝和電路板之間的熱膨脹系數(shù)不匹配會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)印刷電路板（PCB）在擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)循環(huán)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致正常的焊球剪切。為了解決這個(gè)問(wèn)題，使用焊柱代替焊球;焊柱具有機(jī)械柔性，可吸收與電路板和陶瓷封裝的不同熱膨脹率相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力。

陶瓷封裝的另一個(gè)挑戰(zhàn)與其電氣特性有關(guān)。最新的板載信號(hào)處理系統(tǒng)在IC之間和電路板之間設(shè)計(jì)了串行數(shù)據(jù)互連，數(shù)據(jù)速率達(dá)到10至12 Gb/sec范圍。陶瓷封裝可以跟上這些需求的步伐。然而，下一代系統(tǒng)將超過(guò)這些數(shù)據(jù)速率，這將挑戰(zhàn)當(dāng)今的陶瓷封裝技術(shù)。陶瓷封裝供應(yīng)商正在通過(guò)目前正在評(píng)估的新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

由于使用陶瓷封裝的挑戰(zhàn)，一些太空計(jì)劃正計(jì)劃使用帶有塑料封裝的集成電路。與陶瓷封裝相比，塑料封裝具有更低的電寄生效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，從而在高速I/O中實(shí)現(xiàn)更高的性能。此外，塑料封裝的熱膨脹系數(shù)更接近PCB材料的熱膨脹系數(shù)，從而大大降低了焊球上的機(jī)械應(yīng)力，消除了對(duì)焊柱的需求，從而提高了性能。

資格

在IC的空間使用鑒定期間進(jìn)行的測(cè)試取決于IC是集成到陶瓷封裝還是塑料封裝中。

對(duì)于陶瓷封裝的IC，認(rèn)證按照既定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，例如MIL-PRF 38535或等效的ESA ［歐洲航天局］規(guī)范。大多數(shù)美國(guó)供應(yīng)商將有資格獲得MIL-PRF 38535。表1列出了資格認(rèn)證的主要步驟。MIL-PRF 38535中規(guī)定了兩個(gè)級(jí)別的資格，稱為QML ［合格制造商列表］ Q級(jí)和QML級(jí)V.QML級(jí)Q適用于高可靠性國(guó)防應(yīng)用，而QML級(jí)V適用于最高可靠性的空間應(yīng)用。QML Q 級(jí)和 V 級(jí)之間的主要區(qū)別在于 V 級(jí)具有最嚴(yán)格的認(rèn)證要求，例如認(rèn)證樣品的高溫工作壽命測(cè)試 4，000 小時(shí)，而 Q 類則需要 1，000 小時(shí)。

采用陶瓷封裝的集成電路示例包括 Microchip 的 RTG4 耐輻射 QML Q 類和符合 V 類標(biāo)準(zhǔn)的 FPGA。

對(duì)于塑料封裝的集成電路，整個(gè)航天工業(yè)沒(méi)有就資格標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致。在為空間應(yīng)用提供塑料封裝的情況下，資格認(rèn)證活動(dòng)基于JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。航天工業(yè)IC的主要供應(yīng)商和消費(fèi)者正在JEDEC委員會(huì)的框架內(nèi)合作定義QML標(biāo)準(zhǔn)，用于對(duì)空間用塑料封裝IC進(jìn)行鑒定和篩選。當(dāng)就塑料封裝微電路的太空級(jí)鑒定和篩選的QML標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致后，目前支持太空級(jí)產(chǎn)品的許多IC供應(yīng)商可能會(huì)提供符合該標(biāo)準(zhǔn)的微電路。

新的替代方案

衛(wèi)星服務(wù)提供商正在尋求開(kāi)拓新市場(chǎng)或創(chuàng)造新的能力，例如全球通信網(wǎng)絡(luò)和高重訪率的表面成像，而這些都需要衛(wèi)星星座。為了將部署大量衛(wèi)星的成本保持在可管理的水平，衛(wèi)星設(shè)計(jì)人員經(jīng)常轉(zhuǎn)向不是專門為輻射環(huán)境或空間部署設(shè)計(jì)的組件。這樣做的風(fēng)險(xiǎn)在于，商用現(xiàn)貨（COTS）組件通常不具有空間遺產(chǎn)，空間資格，甚至晶圓批次的可追溯性或均勻性，這意味著在一個(gè)樣品上收集的輻射數(shù)據(jù)不一定代表用于太空飛行的部件。

為了應(yīng)對(duì)這一困境，一些微電路制造商正在提供沒(méi)有全套QML空間級(jí)屏蔽的耐輻射組件，例如符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的塑料球柵陣列封裝。像這樣的“Sub-QML”產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)可以提供一種替代方法，消除QML篩選以節(jié)省資金。使用耐輻射微電路可為太空任務(wù)提供高水平的保證和輻射遺產(chǎn)，并避免COTS組件缺乏可追溯性。

空間設(shè)計(jì)師不斷變化的需求推動(dòng)了對(duì)高密度、高性能集成電路的要求?？臻g環(huán)境的惡劣性質(zhì)要求用于空間應(yīng)用的部件具有高水平的耐輻射性和高度的可靠性保證。無(wú)論使用塑料封裝還是陶瓷封裝，都需要制定一套明確的資格和篩選要求，以確保未來(lái)太空任務(wù)的成功。成熟的太空級(jí)微電路制造商正在提供更廣泛的產(chǎn)品范圍，包括傳統(tǒng)的QML合格組件以及一類Sub-QML設(shè)備，其中包括輻射耐受性和可追溯性的優(yōu)勢(shì)，以及低成本的封裝和篩選。

審核編輯：郭婷