超越太空科學的范疇：高抗干擾的電子設(shè)計要求

自有生民之初，人類對于太空便深為著迷。在任何時代，星光點點的天空總是令人引發(fā)無限的想像力?？茖W小說在文學作品與娛樂媒體中相當流行。太空旅行和探險一直是所有時代熱門的話題，并且是國際紛爭、主權(quán)彰顯、國力與國防安全的課題。美國將太空人送上月球距今已有40年的時間。如此驚人的壯舉在人類歷史上具有無與倫比的意義。

其他國家也積極計劃登陸月球，準備迎頭趕上美國，其中以中國與印度最為積極，不過，登陸月球需要相當大的投資，是相當艱鉅的壯舉。NASA計劃明年將太空梭除役，而戰(zhàn)神一號運載火箭至少必須等到2014年才能建造完成。這使得冷戰(zhàn)時期美俄太空競賽中，積極發(fā)展的美國無法再將太空人送上太空，而必須借用俄羅斯蘇式火箭（Russian Soyuz rocket）。

大多數(shù)人都曾經(jīng)聽過星艦迷航記（Star Trek）的寇克艦長的名言：「太空是等待我們開拓的終極邊疆！」太空旅行是科幻小說愛好者的夢想，不過，對于在太空產(chǎn)業(yè)工作的人而言，太空也是人類與電子產(chǎn)品難以挑戰(zhàn)的極限。沒有經(jīng)過長期大量的投入，沒有人或裝置能夠長久待在太空中。

大家可能會很訝異，太陽是一個持續(xù)運轉(zhuǎn)、自我維持的核反應(yīng)星體，向地球排放的大量能源與致命的輻射，所幸，地球的磁場能夠保護我們，阻絕其中大部份的輻射，使外來的輻射就像是河流之中流經(jīng)石頭的水一般。只要觀看北極光，就能夠約略瞭解如此的輻射是什么景況，由于地球兩極的磁場較弱，因此外來的輻射使大氣層離子化。請見圖1。

地球的大氣層能夠阻絶外來的輻射，所造成的影響有好有壞，好的影響是外來的輻射不斷重建地球的臭氧層，保護人類不接觸太陽的紫外線（UV）輻射，不過，外來的輻射也會產(chǎn)生具破壞力的地面中子，在人體衰老的過程中，這些地面中子會造成細胞隨著時間的推移而損傷。

在地面或海面上，暴露于地面中子的比例約為每平方公司10個中子，這些中子會造成電子產(chǎn)品的電路或邏輯不穩(wěn)定。中子進入半導體晶片時，與其他塬子碰撞后會釋放少量的能量，導致塬子大小的核分裂，產(chǎn)生足以干擾積體電路的能量。記憶體系統(tǒng)或高復(fù)雜度IC的使用者相當關(guān)注這方面的干擾。例如，許多電腦當機的真正元兇并不一定是Microsoft，而可能是其中一個積體電路中重要的電路節(jié)點發(fā)生中子撞擊所造成的反應(yīng)所致。圖2所示即為這方面的說明。

在40，000英呎飛行的商用客機所接觸的地面中子輻射量，是地面的300倍，因此，飛機的航空電子系統(tǒng)必須能夠承受如此高的輻射量。對于一般人經(jīng)常搭乘飛機能夠承受多少輻射量，現(xiàn)在仍是爭議不斷。隨著半導體的尺寸縮小，使電路不受這些影響所干擾的任務(wù)顯得更加艱鉅。現(xiàn)今復(fù)雜的數(shù)位系統(tǒng)較易受到中子撞擊所影響，因此一般都會採取錯誤修正或備援等緩解措施。

不同于人類生存的環(huán)境，太空是相當危險的。太陽風暴會釋放大量致命的質(zhì)子和電子，傷害人體的速度或快或慢，完全取決于太陽風暴的強度而定。在阿波羅號太空人的12天任務(wù)中，很幸運并未遭遇太陽風暴。這些來自太空輻射環(huán)境的質(zhì)子和重離子，也會接觸低空地球軌道（low earth orbiting; LEO）太空船及衛(wèi)星。電子、質(zhì)子與重離子對于對地靜止軌道（geostationary orbiting， GEO）衛(wèi)星有相當大的影響。在為期10至15年的任務(wù)過程中，衛(wèi)星會接觸大量輻射。即使加強防護措施，衛(wèi)星仍會接觸足以在幾個月內(nèi)使人致死的輻射量。

人體能夠承受的輻射量約為450rad以下。rad是一種計量單位，用于計算材料吸收的輻射量，以每公克材料100ergs（g?cm2/s2）為基準。一般而言，太空應(yīng)用的積體電路可以在任務(wù)過程中承受10，000至100，000rad以上。防護只能達到有限程度的效果，防護達到某個程度之后，便不再有效。

由于二次反應(yīng)，鋁材質(zhì)厚度達到300mil之后，增加的額外防護材料便無甚作用。牛頓的撞擊球所呈現(xiàn)的正是如此的現(xiàn)象，一顆球撞擊一排球之后，撞擊力會使得這一排球的最后一顆球彈起。請見圖3。

外來的輻射也會造成類似的反應(yīng)。宇宙射線中高能量的電子撞擊防護材料后，會造成二次輻射效應(yīng)，能量從防護材料的另一面釋出時，便會造成損害。電子產(chǎn)品製造商必須設(shè)計能夠在如此受干擾的嚴苛環(huán)境中運作的系統(tǒng)。許多設(shè)計技術(shù)及特殊半導體製程，可用于確保電路在太空中長時間穩(wěn)定運作。

日常生活中，不論是國際通訊、音樂、DTV、GPS、氣象資料蒐集、保全或國防安全，現(xiàn)在比起以往更加仰賴衛(wèi)星系統(tǒng)。

太空方面的電子內(nèi)容日益增多，現(xiàn)在有數(shù)千顆衛(wèi)星在天空，其中大多數(shù)都已經(jīng)變成太空垃圾。衛(wèi)星系統(tǒng)變得愈來愈精密，與過去結(jié)構(gòu)單純的系統(tǒng)完全不可同日而語。大多數(shù)人不清楚太空中有多少顆衛(wèi)星，不過，只要透過網(wǎng)際網(wǎng)路連上Google地球。

設(shè)計能夠承受許多輻射效應(yīng)的電路極其必要，對于太空航空應(yīng)用，以及現(xiàn)今的醫(yī)療應(yīng)用更是如此。診斷及安全設(shè)備愈來愈仰賴耐輻射的晶片?，F(xiàn)今的牙科醫(yī)療X光及CT掃描儀診斷設(shè)備，一般均使用電子成像與資料轉(zhuǎn)換晶片，而非使用晶片進行攝影。這些設(shè)備能夠以近乎即時的速度產(chǎn)生影像，完全不需要等候技術(shù)人員沖洗膠片，才能決定拍攝的影像是否正確。隨著時間累積的輻射效應(yīng)會對設(shè)備造成影響，例如機場中持續(xù)使用的 X 光檢查設(shè)備即是如此。

太空應(yīng)用中的電力電子產(chǎn)品對于很容易受重離子所影響，尤其是高電壓電子產(chǎn)品。重離子穿透半導體材質(zhì)時，會使電荷累積，而形成小型暫時傳導路徑，這就如同一個小閃電一般，一旦小型暫時傳導路徑形成，就會從正極高電壓電源接地釋放高電流。在許多情況下，這會穿透介電，而使得許多電源半導體裝置，發(fā)生閘極穿通效應(yīng)及開路。電源元件製造商一般會將裝置的一般安全運作供電電壓降低 20% 至 50%，以避免如此的問題發(fā)生。

TI的高可靠性（HiRel）產(chǎn)品部門是耐輻射半導體的主要供應(yīng)單位。開發(fā)與測試電路時，均對于醫(yī)療、航空及太空應(yīng)用的電子系統(tǒng)有害的各種輻射效應(yīng)加以防範。衛(wèi)星發(fā)射升空完成部署后，如果發(fā)生問題，無法對衛(wèi)星進行維修。即使衛(wèi)星有備援系統(tǒng)，效果也相當有限。

測試太空應(yīng)用的元件相當不容易。首先，地面的測試機組由于本身的機械能源限制，無法重現(xiàn)太空中所遭受的確切效應(yīng)。另外，無法長年測試元件是否適合太空中使用。因此，通常使用加速測試技術(shù)。

加速測試技術(shù)嘗試重現(xiàn)元件在10至15年太空任務(wù)中，可能承受的低劑量輻射所造成的效應(yīng)。太空應(yīng)用的這些技術(shù)有時令人毫無頭緒。在某些情況下，同一個元件在低劑量率下會產(chǎn)生非預(yù)期的結(jié)果，而在高劑量率下卻一切正常，這就是所謂的增強低劑量率靈敏度（enhanced low-dose rate sensitivity; ELDRS）問題，這個問題一直是現(xiàn)今許多輻射會議與標準會商的討論主題。

在高輻射環(huán)境中電路效率的影響方面，電路技術(shù)也相當重要。CMOS、雙極、GaAs、SiGe 及其他製程技術(shù)在不同的輻射效應(yīng)下的運作互有優(yōu)劣。對于各種效應(yīng)可達到高耐受度的高可靠性產(chǎn)品而言，瞭解這些技術(shù)的運作至關(guān)重要。如果無法實際測量某些條件，僅能透過統(tǒng)計數(shù)據(jù)及有限的資料進行預(yù)測。

由于測試機組能夠產(chǎn)生的粒子能量類型相當有限，因此必須瞭解產(chǎn)品運作的環(huán)境，并且必須確保電路穩(wěn)定，并且能夠承受具體的特定效應(yīng)。在必須穩(wěn)定的系統(tǒng)中使用 HiRel產(chǎn)品有助于降低系統(tǒng)失效的風險。為了降低成本而製作不確實，會危及數(shù)百萬美元的太空或航空硬體?？倸w一句話，這確實超越太空科學的範疇。