各種規(guī)模飛行任務(wù)的耐輻射性篩查

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。對于這些應(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)。

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)行地球測繪應(yīng)用。對于通信應(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，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，這自然會導(dǎo)致這些抗輻射部件的價(jià)格標(biāo)簽溢價(jià)。軍事手冊通常推薦至少指定為RHA級R［1.0E05 rad（Si）］的部件，作為任何空間應(yīng)用的首選;這個(gè)“R”級在指示圖騰柱上相當(dāng)高，進(jìn)一步推高了價(jià)格。

對于小型項(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TID反應(yīng)的柵極閾值。在此類測試中，商用設(shè)備幾乎總是會產(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)測試的組件在積累 TID 或暴露于位移損壞或 SEE 后可能會表現(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輻射暴露的反應(yīng)，就不可能預(yù)測何時(shí)會發(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防工業(yè)業(yè)務(wù)的制造商的組件，繼續(xù)推動質(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，國防后勤局（DLA）批準(zhǔn)的輻射測試設(shè)施符合適用于被測設(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)人員對器件對 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，但僅測試單個(gè)晶圓會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)歷的條件的測試。這種方法包括間隔良好的暴露水平的測試點(diǎn)，以準(zhǔn)確確定負(fù)面影響何時(shí)會危及預(yù)期用途，并且 - 如果相關(guān) - 考慮退火測試以確定零件是否可以移回正常規(guī)格。

審核編輯：郭婷