各种规模飞行任务的耐辐射性筛查

卫星发射成本的降低为替代轨道上的非传统小型卫星创造了新的机会。对于这些应用，通常不需要使用昂贵的抗辐射（抗辐射）认证组件。相反，耐辐射技术可以为这些较小的项目节省大量资金，并提高安全裕度。确定商用现货（COTS）组件是否耐辐射的可靠方法可以使设计人员能够筛选组件是否符合满足任务要求的目标辐射标准。

根据德勤2016年全球航空航天和国防行业展望，2016年全球航空航天和国防工业预计将增长3%。组件小型化方面的创新和不断降低的卫星发射成本代表了这一收入增长的大部分。这些因素反过来又导致小型卫星星座的数量急剧增加。行星实验室等公司发射和运营星座，星座是由许多小卫星组成的组;例如，该公司的FLOCK 1解决方案由28颗小型低地球轨道（LEO）卫星组成，它们协同工作以进行地球测绘应用。对于通信应用，星座可以由数百颗小型卫星组成，这些卫星共同工作，以便与地面站保持持续联系。几家公司正在努力在未来几年推出更大的星座，并正在考虑如何降低附属体积成本。

根据采用的 MIL-HDBK-814、MIL-HDBK-816 和 MIL-HDBK-817 辐射硬度保证 （RHA） 程序选择经过抗辐射认证的组件是设计师的必经之路。严格的 RHA 标准根据总电离剂量 （TID）、中子位移损伤和单事件效应 （SEE） 的各种指定标准对整个零件生产线进行认证。虽然这种有保证的质量让设计师高枕无忧，但抗辐射组件的额外费用可能会让设计师和财务经理停下来。某些半导体或集成电路的单个芯片的成本很容易达到数百美元。由于单个组件成本如此之高，即使是简单的子系统的物料清单 （BOM） 成本也可能膨胀到数万美元。

使用抗辐射部件最便宜的替代方案是简单地使用 COTS 产品。然而，由于无法保证辐射耐受性，不可预见的严重故障的可能性往往大于节省的成本。

使用抗辐射部件和使用完全未经测试的 COTS 部件之间的折衷是使用选择性筛选的 COTS 批次中的部件。通过这种方法，可以筛选特定批次的 RHA 耐受性。对大量现成且成本较低的 COTS 组件进行选择性筛选比认证整条生产线要容易得多。此外，筛查还有其他优势，例如在按照MIL-STD-750和MIL-STD-883中规定的相同严格标准进行测试时，可以发现特定任务水平的公差。

抗辐射过度杀伤力

为了使制造商使用MIL-PRF-38534，MIL-PRF-38535或MIL-PRF-19500规范中的JAN（联合陆军和海军）或RHA（辐射硬度保证）级标志来标记其半导体或混合产品，必须遵循严格，耗时且昂贵的认证过程，这自然会导致这些抗辐射部件的价格标签溢价。军事手册通常推荐至少指定为RHA级R［1.0E05 rad（Si）］的部件，作为任何空间应用的首选;这个“R”级在指示图腾柱上相当高，进一步推高了价格。

对于小型项目，例如那些需要发射低重量LEO卫星的项目，好消息是这些高标准是不必要的。虽然LEO卫星比高轨道卫星经历的空气阻力大得多，但它们的辐射也更少。例如，典型的LEO辐射剂量率为每秒1.0E-04 rad（Si），一颗10年寿命的卫星将仅累积3.0E04 rad（Si），大大低于RHA级别R所需的1.0E05 rad（Si）水平。 图1描述了两个COTS晶片和一个RHA MOSFET晶圆对TID反应的栅极阈值。在此类测试中，商用设备几乎总是会产生更显着的反应，但仍有可能找到在任务特定剂量的辐射下通过参数限制的设备。

图1：MOSFET 阈值与 TID 的关系

虽然这些LEO累积的辐射水平通常远低于抗辐射认证中使用的辐射水平，但使用未经筛选的部件可能非常危险。未经测试的组件在积累 TID 或暴露于位移损坏或 SEE 后可能会表现出未知的行为。关键 COTS 部件的故障很容易导致整个系统故障。如果不描述这些部件对辐射暴露的反应，就不可能预测何时会发生故障或行为变化。

项目预算越低，依赖现成的产品就越有意义，因为既有成本效益又易于更换。现代 COTS 组件，尤其是来自依赖航空航天和国防工业业务的制造商的组件，继续推动质量和性能的界限;这些产品通常与具有非常相似工艺的RHA等效产品一起制造。除了未经证实的抗 RHA 效应可靠性外，只要牢记其保证规格，COTS 零件就没有理由被视为劣质。

筛查婴儿床

可以对大量或晶圆的 COTS 半导体或混合体进行耐辐射性筛选，以达到与 RHA认证部件相同的严格质量和可靠性标准。事实上，国防后勤局（DLA）批准的辐射测试设施符合适用于被测设备的所有相关法规，通常使用标准MIL-STD-750或MIL-STD-883。

设计人员对器件对 TID、位移损坏或 SEE 所需响应的信心越高，找到适合其项目的 COTS 晶圆的机会就越大。在产品线中的大量批量生产设备中，总有各种晶圆碰巧对一种或多种类型的辐射反应良好，即使它们偏离了原始规格。相当于JAN高可靠性双极结型晶体管（BJT）的COTS可能会在辐射后MIL-PRF-19500 D组检查中失败一个或多个参数，但如果参数偏移是可预测的，因此在整体设计中得到考虑，它仍然完全适合在项目中使用。

COTS耐辐射性筛查计划的最终目标是通过尽可能避免RHA保费，使项目更具成本效益。但是，这种方法确实存在一些陷阱，会破坏这一目的。由于寻找具有良好特性的器件晶圆是随机的，因此决定筛选每个器件的晶圆数量是一项重大挑战。如果筛选太多，相关成本似乎不再有利，但仅测试单个晶圆会使辐射筛选的显着成本与晶圆以可接受的方式响应的几率相比较。选择至少几种不同的晶圆应该可以提高几率，同时仍保持成本效益。

确保成本效益的另一个策略是设置最能表征设备在最终产品中将经历的条件的测试。这种方法包括间隔良好的暴露水平的测试点，以准确确定负面影响何时会危及预期用途，并且 - 如果相关 - 考虑退火测试以确定零件是否可以移回正常规格。

审核编辑：郭婷