通过符合空间应用要求的商业部件节省电力和系统成本

购买卫星的组织一直在寻求从太空资产中获取不断增长的价值：我们看到成像卫星运营商寻求更高的图像分辨率、更快的帧速率、更精细的通道分辨率和更多的通道，以实现先进的多光谱和高光谱成像。

当设计人员创建具有足够分辨率的成像有效载荷以满足卫星运营商的需求时，他们会遇到下行链路带宽受限的长期问题。低地球轨道（LEO）成像卫星每秒产生数十千兆比特的数据，每天绕地球运行大约16次，通过空间中继网络向地面发送恒定的数据流是不切实际的。

从历史上看，图像数据被压缩并存储在卫星上;然而，通过在卫星上执行更多的数据处理，以便将信息而不是原始数据传输到地面，可以更有效地使用提供与地面站连接的数据中继网络。这种变化推动了对组件的需求激增，这些组件能够实现所需的高数据处理速率，同时满足严格的耐辐射要求。

人工智能和机器学习（AI/ML）领域的发展为优化下行链路带宽的使用创造了一些有趣的机会，例如，通过消除不包含任何感兴趣内容的图像（例如，在监测土地利用的卫星中，地面被厚云遮挡的图像将没有价值;或者在跟踪海上交通的卫星中， 看不到船只的海洋图像）。此外，AI/ML的使用允许在卫星上自动决策，从而减少或消除人为分析，这可能会给成像数据的部署增加数天或数周的延迟。

随着飞行任务要求的发展，对空间资产最新技术的需求明显而持久;然而，部署在太空中的任何产品都需要满足可持续和可靠运行的某些基本要求。为地球观测成像提供更快的重访率的需求推动了对实地卫星星座的需求，这反过来又推动了降低卫星购置成本的要求。

为了准备用于空间应用的商业部件，需要三个关键步骤：辐射评估、包装和鉴定。

辐射评估

太空中的辐射效应是普遍存在的，取决于轨道。必须评估辐射效应对任何运往空间的部件的有害影响，因为辐射可能对部件造成物理损坏，从而造成卫星关键设备的运行损失。表1总结了各种地球轨道上的辐射效应。

［表1 |地球轨道上的辐射效应。

空间中的辐射效应分为两大类：总电离剂量（TID）效应和单事件效应（SEE）。

TID是指辐射的长期积累。在大多数微电子器件中，TID会导致性能下降和漏电流增加。TID 甚至可能导致功能完全丧失。TID效应可能会随着晶圆制造工艺的微小差异而变化，因此用于空间应用的微电路通常以每个晶圆批次为基础提供TID测试。任何微电路在太空中的成功部署都取决于对正在飞行的设备的TID效应的完整理解。

SEE是指微电路与单个亚原子粒子相互作用的结果。在太空应用中，这通常是质子或重离子，而在航空应用中通常是中子。SEE可分为几个子类别：单事件闩锁、单事件翻转、单事件瞬变和单事件功能中断。

单事件闩锁是一种现象，其中寄生PNPN ［阳极/阴极］结构由于重离子引起的电离而变得正向偏置，传导电流水平可能对集成电路造成不可逆转的损坏。

当重离子通过微电路时，由于硅原子电离和随后的复合产生的电流脉冲，在触发器和嵌入式存储元件中会发生单事件翻转。设计人员可以使用多种形式的缓解措施，例如用于触发器的三重模块化冗余 （TMR） 以及用于存储器的错误检测和纠正 （EDAC） 编码和解码。

虽然触发器或嵌入式存储单元中的单位扰动可能产生的影响有限，但如果它们发生在基于静态随机存取存储器（SRAM）的现场可编程门阵列（FPGA）的配置存储器中，则可能是灾难性的。在这种情况下，单个重离子会导致FPGA的功能发生意外变化。需要以配置清理和修复的形式产生大量系统开销，以缓解配置干扰。

在组合逻辑中，由单事件辐射效应引起的信号瞬态变化称为单事件瞬变，如果在寄存器时钟的正好时刻，瞬态存在于寄存器的数据输入端，则可能会出现问题。在这种情况下，瞬态保留为单位翻转。随着时钟频率的增加，捕获瞬态的概率也会增加。

任何导致集成电路功能变化的单个辐射事件称为单个事件功能中断。随着集成电路（IC）变得越来越复杂，发生单事件功能中断的模式数量急剧增加。

任何微电路在太空中的成功部署都取决于对正在飞行的设备的辐射效应的全面了解。因此，对于开发航天硬件的组织来说，获得采购飞行部件的确切晶圆批次的测试数据非常重要。然而，对辐射效应的评估需要破坏性试验;飞行装置不能测试辐射效应，因为这会严重影响部件的预期寿命。TID效应的测试是在每个晶圆批次的样品基础上进行的。SEE测试在产品寿命的早期进行，因为SEE依赖于集成电路设计，并且往往不会随着晶圆制造工艺而变化太大。

商业零件必须格外小心，因为任何商业零件的运输都可能来自不同的晶圆批次 - 甚至可能是不同的芯片修订甚至不同的代工厂 - 这可能会大大增加零件中辐射效应的可变性。如果没有严格的可追溯性，就不可能确定接受辐射测试的部件是否代表正在飞行的部件。相比之下，为太空飞行提供的微电路通常具有完整的批次可追溯性，设备制造商可以为采购飞行部件的特定晶圆批次提供TID测试数据。

包装

密封陶瓷封装用于高可靠性卫星中使用的大多数微电路。使用陶瓷封装有三个主要原因。第一个涉及陶瓷封装的可检查性：管理空间系统所用组件制造和测试的军事标准（例如MIL-PRF 38534、MIL-PRF 38535和MIL-STD 883 B类）要求在密封封装之前对封装中的集成电路进行第三方检查，以便验证组件的质量。在盖子密封之前，很容易在陶瓷包装中进行检测。

陶瓷封装的另一个优点是，在极端温度或真空中，陶瓷材料不会释放蒸汽，这种现象称为除气。相比之下，塑料封装会释放蒸汽，这会导致太空中的光学元件起雾。密封陶瓷封装的最后一个优点是，它们可以在航天硬件的组装和集成过程中保护内部的微电子元件免受有害水分或电路板清洁液的侵入。

由于这些原因，最严格和最高级别的任务（例如国家安全太空任务和载人航天任务）都需要密封陶瓷封装。

随着性能要求的提高，陶瓷封装面临着一些日益严峻的挑战。现代IC需要的更多I/O引脚要求信号、电源和接地引脚安装在封装底部的2D阵列中，而不是像陶瓷四方扁平封装（CQFP）等传统封装那样在封装外部线性排列引脚。封装和电路板之间的热膨胀系数不匹配会导致机械应力，当印刷电路板（PCB）在扩展的温度范围内循环时，会导致正常的焊球剪切。为了解决这个问题，使用焊柱代替焊球;焊柱具有机械柔性，可吸收与电路板和陶瓷封装的不同热膨胀率相关的机械应力。

陶瓷封装的另一个挑战与其电气特性有关。最新的板载信号处理系统在IC之间和电路板之间设计了串行数据互连，数据速率达到10至12 Gb/sec范围。陶瓷封装可以跟上这些需求的步伐。然而，下一代系统将超过这些数据速率，这将挑战当今的陶瓷封装技术。陶瓷封装供应商正在通过目前正在评估的新技术来应对这一挑战。

由于使用陶瓷封装的挑战，一些太空计划正计划使用带有塑料封装的集成电路。与陶瓷封装相比，塑料封装具有更低的电寄生效应的优点，从而在高速I/O中实现更高的性能。此外，塑料封装的热膨胀系数更接近PCB材料的热膨胀系数，从而大大降低了焊球上的机械应力，消除了对焊柱的需求，从而提高了性能。

资格

在IC的空间使用鉴定期间进行的测试取决于IC是集成到陶瓷封装还是塑料封装中。

对于陶瓷封装的IC，认证按照既定标准进行，例如MIL-PRF 38535或等效的ESA ［欧洲航天局］规范。大多数美国供应商将有资格获得MIL-PRF 38535。表1列出了资格认证的主要步骤。MIL-PRF 38535中规定了两个级别的资格，称为QML ［合格制造商列表］ Q级和QML级V.QML级Q适用于高可靠性国防应用，而QML级V适用于最高可靠性的空间应用。QML Q 级和 V 级之间的主要区别在于 V 级具有最严格的认证要求，例如认证样品的高温工作寿命测试 4，000 小时，而 Q 类则需要 1，000 小时。

采用陶瓷封装的集成电路示例包括 Microchip 的 RTG4 耐辐射 QML Q 类和符合 V 类标准的 FPGA。

对于塑料封装的集成电路，整个航天工业没有就资格标准达成一致。在为空间应用提供塑料封装的情况下，资格认证活动基于JEDEC固态技术协会标准。航天工业IC的主要供应商和消费者正在JEDEC委员会的框架内合作定义QML标准，用于对空间用塑料封装IC进行鉴定和筛选。当就塑料封装微电路的太空级鉴定和筛选的QML标准达成一致后，目前支持太空级产品的许多IC供应商可能会提供符合该标准的微电路。

新的替代方案

卫星服务提供商正在寻求开拓新市场或创造新的能力，例如全球通信网络和高重访率的表面成像，而这些都需要卫星星座。为了将部署大量卫星的成本保持在可管理的水平，卫星设计人员经常转向不是专门为辐射环境或空间部署设计的组件。这样做的风险在于，商用现货（COTS）组件通常不具有空间遗产，空间资格，甚至晶圆批次的可追溯性或均匀性，这意味着在一个样品上收集的辐射数据不一定代表用于太空飞行的部件。

为了应对这一困境，一些微电路制造商正在提供没有全套QML空间级屏蔽的耐辐射组件，例如符合JEDEC标准的塑料球栅阵列封装。像这样的“Sub-QML”产品的开发可以提供一种替代方法，消除QML筛选以节省资金。使用耐辐射微电路可为太空任务提供高水平的保证和辐射遗产，并避免COTS组件缺乏可追溯性。

空间设计师不断变化的需求推动了对高密度、高性能集成电路的要求。空间环境的恶劣性质要求用于空间应用的部件具有高水平的耐辐射性和高度的可靠性保证。无论使用塑料封装还是陶瓷封装，都需要制定一套明确的资格和筛选要求，以确保未来太空任务的成功。成熟的太空级微电路制造商正在提供更广泛的产品范围，包括传统的QML合格组件以及一类Sub-QML设备，其中包括辐射耐受性和可追溯性的优势，以及低成本的封装和筛选。

审核编辑：郭婷