電子電路在空間應用中面臨的挑戰(zhàn)

為了為這次討論奠定基礎，讓我提出這樣的場景：想象自己是一名宇航員，坐在NASA獵戶座飛船的乘員艙里。你坐在火箭上，正在逐步完成火星之旅的最終設備清單，期待有史以來最大的火箭——美國宇航局太空發(fā)射系統(tǒng)——點燃的最后倒計時。你坐在384英尺高的空中，這是一個巨大的130公噸配置，這是歷史上最有能力和最強大的運載火箭。當你聽到“先生們，我們有點火”這句名言時，你將有9萬磅的推力將你推向外太空。獵戶座宇宙飛船旨在將人類帶到火星和深空，那里的溫度可以接近2°C，輻射是致命的，你將以高達2000，20英里/小時的速度旅行。

現(xiàn)在問問自己，為您的航天器的控制系統(tǒng)選擇了什么質(zhì)量等級的電子元件？高可靠性和具有空間傳統(tǒng)的設備是為空間級應用選擇組件的關(guān)鍵因素。NASA通常會指定1級，合格的制造商列表V類（QMLV）設備，他們總是會詢問是否有更高的質(zhì)量級別可用。了解美國宇航局用于識別太空飛行應用的電子元件的廣泛選擇過程，人們應該有信心坐在火箭上。

航天器的惡劣環(huán)境條件和對電子設備構(gòu)成的危險

空間電子設備要克服的第一個障礙是運載火箭施加的振動?；鸺诎l(fā)射過程中對火箭及其有效載荷的要求是嚴峻的?；鸺l(fā)射器會產(chǎn)生極端的噪音和振動。從字面上看，有成千上萬的事情可能會出錯并導致一團火焰。當衛(wèi)星在太空中與火箭分離時，衛(wèi)星的主體結(jié)構(gòu)會發(fā)生大的沖擊。煙火沖擊是當結(jié)構(gòu)發(fā)生爆炸時發(fā)生的動態(tài)結(jié)構(gòu)沖擊。熱沖擊是結(jié)構(gòu)對高頻、高幅度應力波的響應，這些應力波由于炸藥而在整個結(jié)構(gòu)中傳播，就像衛(wèi)星彈射或多級火箭兩級分離中使用的應力波一樣。熱沖擊暴露會損壞電路板、短路電氣元件或?qū)е赂鞣N其他問題。了解發(fā)射環(huán)境可以更好地理解沖擊和振動要求，以及對設計用于空間級應用的電子元件的檢查。

除氣是另一個主要問題。塑料、膠水和粘合劑可以而且可以脫氣。塑料設備產(chǎn)生的蒸汽會在光學設備上沉積材料，從而降低其性能。例如，汽車塑料儀表板會釋放出在擋風玻璃上沉積薄膜的蒸汽。這是我可以從個人經(jīng)驗中證明的一個實際例子。使用陶瓷而不是塑料組件可以消除電子產(chǎn)品中的這個問題。揮發(fā)性有機硅在低地球軌道（LEO）的釋氣會在航天器周圍產(chǎn)生一團污染物。除氣、排氣、泄漏和推進器發(fā)射造成的污染會降解和改變航天器的外表面。

表面上的高污染會導致靜電放電。衛(wèi)星容易受到充電和放電的影響。因此，空間應用需要沒有浮動金屬的部件。衛(wèi)星充電是衛(wèi)星的靜電勢相對于衛(wèi)星周圍低密度等離子體的變化。充電的程度取決于衛(wèi)星和軌道的設計。負責充電的兩種主要機制是等離子體轟擊和光電效應。已知高達20，000 V的放電發(fā)生在地球同步軌道上的衛(wèi)星上。如果不采取保護性設計措施，靜電放電（來自空間環(huán)境的能量積聚）可能會損壞設備。用于地球同步地球軌道（GEO）的設計解決方案是用導電材料涂覆衛(wèi)星的所有外表面。LEO中的大氣由約96%的原子氧組成。氧氣以不同的形式存在。我們呼吸的氧氣是O2。O3存在于地球的高層大氣中，O（一個原子）是原子氧。原子氧可以與航天器外部的有機物質(zhì)反應并逐漸損壞它們。在美國宇航局的第一次航天飛機任務中注意到原子氧的材料侵蝕，其中原子氧的存在引起了問題。航天飛機材料看起來很冷，因為它們實際上被原子氧的存在侵蝕和紋理化了。NASA通過開發(fā)一種不受原子氧反應的薄膜涂層來解決這個問題。塑料對原子氧和電離輻射相當敏感。耐原子氧的涂層是塑料的常用保護方法。另一個障礙是航天器遇到的非常高的溫度波動。繞地球運行的衛(wèi)星可以分為兩個階段;日照階段和日食階段。在陽光照射階段，衛(wèi)星被太陽加熱，當衛(wèi)星繞地球的背面或陰影側(cè)移動時，溫度可以變化多達300°C。 由于它離太陽更近，GEO靜止軌道衛(wèi)星的溫度波動將遠遠大于LEO衛(wèi)星的溫度變化。

有趣的是，在月球白天和黑夜，月球表面的溫度可以在–200°C至+ 200°C左右變化。 這讓你想知道一個人怎么可能在月球上行走。同樣，陶瓷封裝可以承受反復的溫度波動，提供更高水平的氣密性，并在更高的功率水平和溫度下保持功能。陶瓷封裝在惡劣環(huán)境中提供更高的可靠性。那么如何消散電子設備產(chǎn)生的熱量呢？電子設備的精度和預期壽命會因持續(xù)的高溫而降低。傳熱有三種方式：對流、擴散和輻射。在太空的真空中，沒有發(fā)生熱對流或傳導。輻射傳熱是在真空中傳遞熱量的主要方法，因此通過將熱量輻射到太空來冷卻衛(wèi)星。

太空的真空是錫須的有利環(huán)境，因此違禁材料是一個問題。禁止在太空中的IEEE部件和相關(guān)硬件上使用純錫，鋅和鎘電鍍。這些材料會受到晶須的自發(fā)生長的影響，從而導致電氣短路。錫須是錫的導電晶體結(jié)構(gòu)，有時會從使用錫作為最終飾面的表面生長。具有純錫引線的設備可能會遭受錫須現(xiàn)象的影響，從而導致電氣短路。使用鉛基焊料可消除在高應力應用中使用器件時發(fā)生短路的風險。最后，空間輻射環(huán)境會對航天器電子設備產(chǎn)生破壞性影響。航天器可能遇到的輻射水平和類型差異很大。在低地球軌道、高橢圓軌道、地球靜止軌道和行星際飛行任務上飛行的任務具有截然不同的環(huán)境。此外，這些環(huán)境正在發(fā)生變化。輻射源受太陽活動的影響。太陽周期分為兩個活動階段：太陽極小期和太陽極小期。您的航天器任務是在太陽極小期、太陽極盛期還是兩者兼而有之？這里的關(guān)鍵點是，太空中的環(huán)境大不相同。對運載火箭的要求與地球靜止衛(wèi)星或火星探測器的要求大不相同。每個太空計劃都必須在可靠性、輻射耐受性、環(huán)境壓力、發(fā)射日期和任務的預期生命周期方面進行評估。

40多年來，ADI公司一直為航空航天和國防市場提供高可靠性器件支持。重點領域包括電子戰(zhàn)、雷達、通信、航空電子設備、無人系統(tǒng)以及導彈和智能彈藥應用。今天的重點是太空市場。ADI公司擁有深度和廣度的技術(shù)，涵蓋傳感器、放大器、RF和微波器件、ADC、DAC和輸出器件等整個信號鏈，為航空航天和國防工業(yè)的挑戰(zhàn)性要求提供解決方案。

208年，衛(wèi)星行業(yè)的收入為2015億美元。衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)有四個部分：衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射設備、地面設備和衛(wèi)星服務。衛(wèi)星服務是迄今為止最大的細分市場，并繼續(xù)成為整個衛(wèi)星行業(yè)的關(guān)鍵驅(qū)動力。那么，衛(wèi)星最近為你做了什么？我相信大多數(shù)人都會驚訝于現(xiàn)代生活對衛(wèi)星服務的依賴程度。如果目前運行的1381顆衛(wèi)星碰巧關(guān)閉，現(xiàn)代生活將受到嚴重干擾。全球金融、電信、交通、氣象、國防、航空和許多其他部門嚴重依賴衛(wèi)星服務。衛(wèi)星服務市場有三個主要部分：衛(wèi)星導航、衛(wèi)星通信和地球觀測。導航衛(wèi)星用于導航信號和數(shù)據(jù)的全球分布，以提供定位、定位和授時服務。可用服務的例子包括交通管理、測繪、車隊和資產(chǎn)管理以及自動駕駛技術(shù)——無人駕駛汽車和卡車有望成為下一件大事。電信衛(wèi)星或衛(wèi)星通信的例子是電視、電話、寬帶互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星廣播。這些系統(tǒng)可以在發(fā)生破壞地面電信網(wǎng)絡的災難時提供不間斷的通信服務。商務和商用飛機機上互聯(lián)網(wǎng)和移動娛樂都是不斷增長的細分市場。地球觀測衛(wèi)星用于傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)。對地球的天基觀測促進了可持續(xù)農(nóng)業(yè)，并有助于應對氣候變化、土地和野生生物管理以及能源資源管理。地球觀測衛(wèi)星有助于保護水資源和改善天氣預報，因此衛(wèi)星服務的范圍非常廣泛且不斷增長。

那么衛(wèi)星上使用什么類型的電子系統(tǒng)呢？航天器的基本要素分為兩部分：平臺或總線和有效載荷。該平臺由支持有效載荷的五個基本子系統(tǒng)組成：結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)、遙測子系統(tǒng)、跟蹤和指揮子系統(tǒng)、電力和配電子系統(tǒng)、熱控制子系統(tǒng)以及姿態(tài)和速度控制子系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)是機械結(jié)構(gòu)，提供剛度以承受應力和振動。它還為電子設備提供輻射屏蔽。遙測、跟蹤和命令子系統(tǒng)包括接收器、發(fā)射器、天線、溫度、電流、電壓和罐壓傳感器。它還提供各種航天器子系統(tǒng)的狀態(tài)。電力和配電子系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，并為航天器電池充電。熱控制子系統(tǒng)有助于保護電子設備免受極端溫度的影響。最后，姿態(tài)和速度控制子系統(tǒng)是軌道控制系統(tǒng)，它由傳感器組成，用于測量飛行器方向和執(zhí)行器（反作用輪、推進器），并施加將飛行器定向到正確軌道位置所需的扭矩和力。姿態(tài)和控制系統(tǒng)的典型組件包括太陽和地球傳感器、星形傳感器、動量輪、慣性測量單元 （IMU） 以及處理信號和控制衛(wèi)星位置所需的電子設備。

有效載荷是支持主要任務的設備。對于GPS導航衛(wèi)星，這將包括原子鐘，導航信號發(fā)生器以及高功率RF放大器和天線。就電信系統(tǒng)而言，有效載荷將包括天線、發(fā)射器和接收器、低噪聲放大器、混頻器和本振、解調(diào)器和調(diào)制器以及功率放大器。地球觀測有效載荷將包括用于天氣預報的微波和紅外探測儀器、可見紅外成像輻射計、臭氧測繪儀器、可見光和紅外照相機以及傳感器。

幾年前ADI公司和赫梯微波的集成現(xiàn)在使我們能夠覆蓋直流至110 GHz頻譜。ADI解決方案包括導航、雷達、6 GHz以下通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、電子戰(zhàn)、微波頻譜雷達系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)和毫米波頻譜衛(wèi)星成像。ADI公司提供1000多種元件，涵蓋所有RF和微波信號鏈及應用。Hittite 的全系列射頻功能塊、衰減器、LNA、PA 和射頻開關(guān)與 ADI 的高性能線性產(chǎn)品、高速 ADC、DAC、有源混頻器和 PLL 產(chǎn)品組合相結(jié)合，可提供端到端系統(tǒng)解決方案。

自然空間輻射環(huán)境對電子設備的影響

對電子設備的輻射效應是空間級應用的主要關(guān)注點。在地球大氣層的保護層之外，太陽系充滿了輻射。自然空間輻射環(huán)境會損壞電子設備，其影響范圍從參數(shù)性能下降到完全功能故障。這些影響可能導致任務壽命縮短和重大衛(wèi)星系統(tǒng)故障。靠近地球的輻射環(huán)境分為兩類：被困在范艾倫帶中的粒子和瞬態(tài)輻射。被困在范艾倫帶中的粒子由高能質(zhì)子、電子和重離子組成。瞬態(tài)輻射由銀河宇宙射線粒子和太陽事件粒子（日冕物質(zhì)拋射和太陽耀斑）組成。輻射影響衛(wèi)星電子學有兩種主要方式：總電離劑量（TID）和單事件效應（SEE）。TID 是一種長期故障機制，而 SEE 是一種瞬時故障機制。SEE以隨機故障率表示，而TID是可以用平均故障時間來描述的故障率。

TID是設備在任務生命周期內(nèi)與時間相關(guān)的累積電荷。通過晶體管的粒子在熱氧化物中產(chǎn)生電子空穴對。累積的電荷會產(chǎn)生漏電流，降低器件的增益，影響時序特性，在某些情況下，還會導致完全的功能故障。總累積劑量取決于軌道和時間。在LEO中，輻射的主要來源是電子和質(zhì)子（內(nèi)帶），而在GEO中，主要輻射源是電子（外帶）和太陽質(zhì)子。值得注意的是，器件屏蔽可用于有效減少TID輻射的積累。

SEE是由單個高能粒子穿過設備并在電路中注入電荷引起的。通常，SEE分為軟錯誤和硬錯誤。

聯(lián)合電子設備工程委員會（JEDEC）將軟錯誤定義為由高能離子撞擊引起的非破壞性功能錯誤。軟錯誤是 SEE 的一個子集，包括單事件翻轉(zhuǎn) （SEU）、多位翻轉(zhuǎn) （MBU）、單事件功能中斷 （SEFI）、單事件瞬變 （SET） 和單事件閂鎖 （SEL）。SEL是指CMOS阱中寄生雙極性作用的形成在電源和接地之間產(chǎn)生低阻抗路徑，從而產(chǎn)生高電流條件。因此，SEL 可能會導致潛在和硬錯誤。

軟錯誤的例子是位翻轉(zhuǎn)或存儲單元或寄存器狀態(tài)的變化。SET是由高能粒子注入器件的電荷產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓脈沖。這些瞬態(tài)脈沖會導致SEFI。SEFI是軟錯誤，導致組件以可檢測的方式復位、鎖定或其他故障，但不需要設備電源循環(huán)即可恢復可操作性。SEFI通常與控制位或寄存器中的擾動有關(guān)。

JEDEC 將硬錯誤定義為操作中不可逆的變化，通常與器件或電路的一個或多個元件的永久性損壞（例如，柵極氧化物破裂或破壞性閂鎖事件）有關(guān)。該錯誤很難，因為數(shù)據(jù)丟失，組件或設備不再正常工作，即使電源復位也是如此。SEE 硬錯誤具有潛在的破壞性。硬錯誤的示例包括單事件閂鎖 （SEL）、單事件門破裂 （SEGR） 和單事件燒毀 （SEB）。SEE的硬錯誤可能會損壞設備，降低總線電壓，甚至損壞系統(tǒng)電源。

技術(shù)趨勢和輻射效應

就衛(wèi)星有效載荷而言，儀器變得越來越復雜。曾經(jīng)，通信衛(wèi)星基本上是彎曲的管道中繼器架構(gòu)，可以中繼信號。如今，它們是多波束的，并具有板載處理（OBP）架構(gòu)。更復雜的電子設備意味著更大的輻射效應風險。大容量、小型衛(wèi)星星座正在使用更多的商業(yè)級塑料部件。商用現(xiàn)貨（COTS）設備通常對輻射效應更敏感。同樣，對于小型衛(wèi)星，電子設備的結(jié)構(gòu)質(zhì)量屏蔽較少。使用更精細的IC幾何形狀和更薄的氧化物，降低了對TID輻射效應的敏感性，并提高了TID耐受性。另一方面，SEE隨著IC縮放的減少而增加。生產(chǎn)SET和SEU所需的能量更少。

使用更高頻率的設備，SET可以變成更多的SEU，從而增加SEFI的數(shù)量。用于處理更高速瞬態(tài)信號的緩解技術(shù)可能更具挑戰(zhàn)性。

ADI公司為支持空間級應用所做的努力

航天產(chǎn)品事業(yè)部利用ADI公司的器件產(chǎn)品組合為航天工業(yè)提供支持。我們擁有專有的絕緣體上硅 （SOI） 工藝，可為空間級應用提供耐輻射性。在某些情況下，我們修改核心硅以增強設備的輻射耐受性。我們還能夠?qū)⒃O計移植到抗輻射的SOI工藝中。我們將芯片集成到密封陶瓷封裝中，并在擴展的軍用溫度范圍內(nèi)表征器件。我們的目標是使用國防后勤局 （DLA） 用于單片設備的 MIL-PRF 38535 系統(tǒng)和用于 K 類混合和多芯片模塊的 MIL-PRF 38534 開發(fā)和發(fā)布完全合格的 S 類 QMLV 產(chǎn)品。對于輻射檢測，我們目前提供高劑量率（HDR）和低劑量率（LDR）測試模型，對于新產(chǎn)品發(fā)布，我們提供單一事件效應測試數(shù)據(jù)。

ADI公司提供商業(yè)、工業(yè)、增強產(chǎn)品（EP）、汽車、軍事和空間認證器件。EP器件旨在滿足關(guān)鍵任務和高可靠性應用，主要用于航空航天和國防市場。其他產(chǎn)品等級包括軍用級單片器件、多芯片模塊、QMLQ 和 QMLH 器件、空間合格單片器件以及根據(jù)軍用規(guī)范設計的多芯片模塊，如 QMLV 和 QMLK 器件。ADI公司還為開發(fā)混合或多芯片模塊解決方案的客戶提供符合空間要求的K類芯片。根據(jù)標準航空航天數(shù)據(jù)表和客戶源代碼控制圖提供符合 K 級標準的芯片。

我們提供EP、塑料封裝器件，旨在滿足關(guān)鍵任務要求和高可靠性應用要求。根據(jù)客戶的意見，我們正在為太空應用啟動一個新的設備產(chǎn)品類別，我們將其定義為增強型產(chǎn)品加（EP+）設備。我們的客戶需要改進尺寸、重量、功率、更高的性能、更寬的帶寬、更高的工作頻率、有效載荷靈活性和優(yōu)化的可靠性。航天器設計人員被迫使用商業(yè)設備，以便在越來越小、功耗更低、成本越來越低的航天器中實現(xiàn)高水平的性能?？罩械幕ヂ?lián)網(wǎng)就是一個很好的例子。據(jù)估計，世界上60%的人口無法訪問互聯(lián)網(wǎng)。為了應對這一市場，公司正計劃在環(huán)繞地球的小型低成本衛(wèi)星星座中部署大型星座，以便能夠訪問全球通信網(wǎng)絡。ADI公司正在與客戶合作定義EP+，以應對這一不斷發(fā)展的新市場。EP 為高可靠性應用提供 COTS 解決方案，無需額外的定制上篩選成本。EP 是塑料封裝器件，軍用溫度范圍為 –55°C 至 +125°C。 除了要求擴展溫度范圍外，EP 客戶還要求器件無鉛和無晶須。它們要求器件具有受控的制造基線、獨立的數(shù)據(jù)手冊和 EP 更改通知流程。這些設備在國防后勤局文檔系統(tǒng)下還具有關(guān)聯(lián)的 V62 供應商項目圖紙。當前發(fā)布的EP由特殊的EP后綴標識，并具有單獨的獨立數(shù)據(jù)表。

如前所述，ADI公司還在開發(fā)一種用于空間級應用EP以及LEO系統(tǒng)和高空應用的新器件概念。我們目前支持針對源代碼管理圖形的 EP+。ADI希望為空間級應用提供標準COTS級器件。通過EP+方法，我們設想了一種介于標準EP設備和軍用883級設備之間的設備，為空間級應用提供COTS解決方案，而無需額外的定制升級成本。通過EP+方法，我們可以生成COTS器件，并提供晶圓批次可追溯性和特定批次的輻射檢測數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵問題是確定可靠性和成本之間的適當平衡，如圖1中的曲線所示。需要的篩選越多，單位成本就越高。在定義這一新產(chǎn)品類別時，衛(wèi)星行業(yè)和ADI公司目前面臨的挑戰(zhàn)是定義空間級應用中使用的商用器件的最佳篩選水平與成本點。

圖1.可靠性測試和檢驗推動了電子元件成本。

總而言之，ADI公司的目標是為空間級應用提供完整的產(chǎn)品，而不僅僅是一個元件。

我們提供業(yè)界最全面的產(chǎn)品組合，具有行業(yè)領先的設備可靠性

我們提供單批日期代碼采購

先進的封裝和表征，可應對嚴峻的環(huán)境挑戰(zhàn)

金和錫鉛熱焊浸鉛表面處理，以解決錫須問題

我們提供無違禁材料認證

全面的材料可追溯性符合性證書

全面的QMLV飛行單元測試報告

電氣性能在 –55°C 至 +125°C 的擴展溫度范圍內(nèi)進行了生產(chǎn)測試

我們提供完全合格的QMLV設備，具有100%篩選和質(zhì)量一致性檢查

我們提供輻射合格的設備...HDR，LDR，參見

較長的產(chǎn)品生命周期是ADI公司業(yè)務戰(zhàn)略的基石

我們擁有專門的航空航天和國防團隊，提供產(chǎn)品支持和應用支持

ADI公司目前提供90多種標準通用空間合格器件，包括350多種不同等級和封裝的型號。一些新的空間合格產(chǎn)品是ADA4084-2S、ADA4610-2S和ADuM7442S器件。

5962R1324501VXA （ADA4084AF/QMLR） 是一款新型低噪聲、低功耗、空間級精密放大器，作為 QMLV 空間級器件提供，可針對 SMD 圖紙?zhí)峁Ｔ撈骷哂?0 MHz單位增益帶寬和軌到軌輸入和輸出。這些放大器非常適合需要交流和精密直流性能的單電源應用。

5962R1420701VXA （ADA4610-2BF/QMLR） 是空間級、雙通道、精密、極低噪聲、低輸入偏置電流、寬帶寬 JFET 器件。這些放大器特別適用于高阻抗傳感器放大和精確電流測量。

ADuM7442R703F是一款符合空間標準的25 Mbps四通道數(shù)字隔離器，具有三個正向通道和一個反向通道。這些設備提供雙向通信。符合空間標準的器件提供電流隔離，這意味著輸入和輸出電路沒有直接的電氣連接。與競爭解決方案相比，它們在尺寸、重量、功率和可靠性方面具有優(yōu)勢。

審核編輯：郭婷