衛(wèi)星發(fā)射成本的降低為替代軌道上的非傳統(tǒng)小型衛(wèi)星創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。對(duì)于這些應(yīng)用,通常不需要使用昂貴的抗輻射(抗輻射)認(rèn)證組件。相反,耐輻射技術(shù)可以為這些較小的項(xiàng)目節(jié)省大量資金,并提高安全裕度。確定商用現(xiàn)貨(COTS)組件是否耐輻射的可靠方法可以使設(shè)計(jì)人員能夠篩選組件是否符合滿足任務(wù)要求的目標(biāo)輻射標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)德勤2016年全球航空航天和國(guó)防行業(yè)展望,2016年全球航空航天和國(guó)防工業(yè)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)3%。組件小型化方面的創(chuàng)新和不斷降低的衛(wèi)星發(fā)射成本代表了這一收入增長(zhǎng)的大部分。這些因素反過來又導(dǎo)致小型衛(wèi)星星座的數(shù)量急劇增加。行星實(shí)驗(yàn)室等公司發(fā)射和運(yùn)營(yíng)星座,星座是由許多小衛(wèi)星組成的組;例如,該公司的FLOCK 1解決方案由28顆小型低地球軌道(LEO)衛(wèi)星組成,它們協(xié)同工作以進(jìn)行地球測(cè)繪應(yīng)用。對(duì)于通信應(yīng)用,星座可以由數(shù)百顆小型衛(wèi)星組成,這些衛(wèi)星共同工作,以便與地面站保持持續(xù)聯(lián)系。幾家公司正在努力在未來幾年推出更大的星座,并正在考慮如何降低附屬體積成本。
根據(jù)采用的 MIL-HDBK-814、MIL-HDBK-816 和 MIL-HDBK-817 輻射硬度保證 (RHA) 程序選擇經(jīng)過抗輻射認(rèn)證的組件是設(shè)計(jì)師的必經(jīng)之路。嚴(yán)格的 RHA 標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)總電離劑量 (TID)、中子位移損傷和單事件效應(yīng) (SEE) 的各種指定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整個(gè)零件生產(chǎn)線進(jìn)行認(rèn)證。雖然這種有保證的質(zhì)量讓設(shè)計(jì)師高枕無憂,但抗輻射組件的額外費(fèi)用可能會(huì)讓設(shè)計(jì)師和財(cái)務(wù)經(jīng)理停下來。某些半導(dǎo)體或集成電路的單個(gè)芯片的成本很容易達(dá)到數(shù)百美元。由于單個(gè)組件成本如此之高,即使是簡(jiǎn)單的子系統(tǒng)的物料清單 (BOM) 成本也可能膨脹到數(shù)萬美元。
使用抗輻射部件最便宜的替代方案是簡(jiǎn)單地使用 COTS 產(chǎn)品。然而,由于無法保證輻射耐受性,不可預(yù)見的嚴(yán)重故障的可能性往往大于節(jié)省的成本。
使用抗輻射部件和使用完全未經(jīng)測(cè)試的 COTS 部件之間的折衷是使用選擇性篩選的 COTS 批次中的部件。通過這種方法,可以篩選特定批次的 RHA 耐受性。對(duì)大量現(xiàn)成且成本較低的 COTS 組件進(jìn)行選擇性篩選比認(rèn)證整條生產(chǎn)線要容易得多。此外,篩查還有其他優(yōu)勢(shì),例如在按照MIL-STD-750和MIL-STD-883中規(guī)定的相同嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試時(shí),可以發(fā)現(xiàn)特定任務(wù)水平的公差。
抗輻射過度殺傷力
為了使制造商使用MIL-PRF-38534,MIL-PRF-38535或MIL-PRF-19500規(guī)范中的JAN(聯(lián)合陸軍和海軍)或RHA(輻射硬度保證)級(jí)標(biāo)志來標(biāo)記其半導(dǎo)體或混合產(chǎn)品,必須遵循嚴(yán)格,耗時(shí)且昂貴的認(rèn)證過程,這自然會(huì)導(dǎo)致這些抗輻射部件的價(jià)格標(biāo)簽溢價(jià)。軍事手冊(cè)通常推薦至少指定為RHA級(jí)R[1.0E05 rad(Si)]的部件,作為任何空間應(yīng)用的首選;這個(gè)“R”級(jí)在指示圖騰柱上相當(dāng)高,進(jìn)一步推高了價(jià)格。
對(duì)于小型項(xiàng)目,例如那些需要發(fā)射低重量LEO衛(wèi)星的項(xiàng)目,好消息是這些高標(biāo)準(zhǔn)是不必要的。雖然LEO衛(wèi)星比高軌道衛(wèi)星經(jīng)歷的空氣阻力大得多,但它們的輻射也更少。例如,典型的LEO輻射劑量率為每秒1.0E-04 rad(Si),一顆10年壽命的衛(wèi)星將僅累積3.0E04 rad(Si),大大低于RHA級(jí)別R所需的1.0E05 rad(Si)水平。 圖1描述了兩個(gè)COTS晶片和一個(gè)RHA MOSFET晶圓對(duì)TID反應(yīng)的柵極閾值。在此類測(cè)試中,商用設(shè)備幾乎總是會(huì)產(chǎn)生更顯著的反應(yīng),但仍有可能找到在任務(wù)特定劑量的輻射下通過參數(shù)限制的設(shè)備。
圖1:MOSFET 閾值與 TID 的關(guān)系
雖然這些LEO累積的輻射水平通常遠(yuǎn)低于抗輻射認(rèn)證中使用的輻射水平,但使用未經(jīng)篩選的部件可能非常危險(xiǎn)。未經(jīng)測(cè)試的組件在積累 TID 或暴露于位移損壞或 SEE 后可能會(huì)表現(xiàn)出未知的行為。關(guān)鍵 COTS 部件的故障很容易導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障。如果不描述這些部件對(duì)輻射暴露的反應(yīng),就不可能預(yù)測(cè)何時(shí)會(huì)發(fā)生故障或行為變化。
項(xiàng)目預(yù)算越低,依賴現(xiàn)成的產(chǎn)品就越有意義,因?yàn)榧扔谐杀拘б嬗忠子诟鼡Q?,F(xiàn)代 COTS 組件,尤其是來自依賴航空航天和國(guó)防工業(yè)業(yè)務(wù)的制造商的組件,繼續(xù)推動(dòng)質(zhì)量和性能的界限;這些產(chǎn)品通常與具有非常相似工藝的RHA等效產(chǎn)品一起制造。除了未經(jīng)證實(shí)的抗 RHA 效應(yīng)可靠性外,只要牢記其保證規(guī)格,COTS 零件就沒有理由被視為劣質(zhì)。
篩查嬰兒床
可以對(duì)大量或晶圓的 COTS 半導(dǎo)體或混合體進(jìn)行耐輻射性篩選,以達(dá)到與 RHA認(rèn)證部件相同的嚴(yán)格質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上,國(guó)防后勤局(DLA)批準(zhǔn)的輻射測(cè)試設(shè)施符合適用于被測(cè)設(shè)備的所有相關(guān)法規(guī),通常使用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-750或MIL-STD-883。
設(shè)計(jì)人員對(duì)器件對(duì) TID、位移損壞或 SEE 所需響應(yīng)的信心越高,找到適合其項(xiàng)目的 COTS 晶圓的機(jī)會(huì)就越大。在產(chǎn)品線中的大量批量生產(chǎn)設(shè)備中,總有各種晶圓碰巧對(duì)一種或多種類型的輻射反應(yīng)良好,即使它們偏離了原始規(guī)格。相當(dāng)于JAN高可靠性雙極結(jié)型晶體管(BJT)的COTS可能會(huì)在輻射后MIL-PRF-19500 D組檢查中失敗一個(gè)或多個(gè)參數(shù),但如果參數(shù)偏移是可預(yù)測(cè)的,因此在整體設(shè)計(jì)中得到考慮,它仍然完全適合在項(xiàng)目中使用。
COTS耐輻射性篩查計(jì)劃的最終目標(biāo)是通過盡可能避免RHA保費(fèi),使項(xiàng)目更具成本效益。但是,這種方法確實(shí)存在一些陷阱,會(huì)破壞這一目的。由于尋找具有良好特性的器件晶圓是隨機(jī)的,因此決定篩選每個(gè)器件的晶圓數(shù)量是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。如果篩選太多,相關(guān)成本似乎不再有利,但僅測(cè)試單個(gè)晶圓會(huì)使輻射篩選的顯著成本與晶圓以可接受的方式響應(yīng)的幾率相比較。選擇至少幾種不同的晶圓應(yīng)該可以提高幾率,同時(shí)仍保持成本效益。
確保成本效益的另一個(gè)策略是設(shè)置最能表征設(shè)備在最終產(chǎn)品中將經(jīng)歷的條件的測(cè)試。這種方法包括間隔良好的暴露水平的測(cè)試點(diǎn),以準(zhǔn)確確定負(fù)面影響何時(shí)會(huì)危及預(yù)期用途,并且 - 如果相關(guān) - 考慮退火測(cè)試以確定零件是否可以移回正常規(guī)格。
審核編輯:郭婷
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