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——美國宇航局太空發射系統——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。

現在問問自己，為您的航天器的控制系統選擇了什么質量等級的電子元件？高可靠性和具有空間傳統的設備是為空間級應用選擇組件的關鍵因素。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。

航天器的惡劣環境條件和對電子設備構成的危險

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。火箭在發射過程中對火箭及其有效載荷的要求是嚴峻的。火箭發射器會產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。當衛星在太空中與火箭分離時，衛星的主體結構會發生大的沖擊。煙火沖擊是當結構發生爆炸時發生的動態結構沖擊。熱沖擊是結構對高頻、高幅度應力波的響應，這些應力波由于炸藥而在整個結構中傳播，就像衛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、短路電氣元件或導致各種其他問題。了解發射環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品中的這個問題。揮發性有機硅在低地球軌道（LEO）的釋氣會在航天器周圍產生一團污染物。除氣、排氣、泄漏和推進器發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。衛星充電是衛星的靜電勢相對于衛星周圍低密度等離子體的變化。充電的程度取決于衛星和軌道的設計。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的放電發生在地球同步軌道上的衛星上。如果不采取保護性設計措施，靜電放電（來自空間環境的能量積聚）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，衛星被太陽加熱，當衛星繞地球的背面或陰影側移動時，溫度可以變化多達300°C。 由于它離太陽更近，GEO靜止軌道衛星的溫度波動將遠遠大于LEO衛星的溫度變化。

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。陶瓷封裝在惡劣環境中提供更高的可靠性。那么如何消散電子設備產生的熱量呢？電子設備的精度和預期壽命會因持續的高溫而降低。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星。

太空的真空是錫須的有利環境，因此違禁材料是一個問題。禁止在太空中的IEEE部件和相關硬件上使用純錫，鋅和鎘電鍍。這些材料會受到晶須的自發生長的影響，從而導致電氣短路。錫須是錫的導電晶體結構，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生短路的風險。最后，空間輻射環境會對航天器電子設備產生破壞性影響。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境。此外，這些環境正在發生變化。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？這里的關鍵點是，太空中的環境大不相同。對運載火箭的要求與地球靜止衛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、環境壓力、發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、雷達、通信、航空電子設備、無人系統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，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的挑戰性要求提供解決方案。

208年，衛星行業的收入為2015億美元。衛星產業有四個部分：衛星制造、衛星發射設備、地面設備和衛星服務。衛星服務是迄今為止最大的細分市場，并繼續成為整個衛星行業的關鍵驅動力。那么，衛星最近為你做了什么？我相信大多數人都會驚訝于現代生活對衛星服務的依賴程度。如果目前運行的1381顆衛星碰巧關閉，現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星服務。衛星服務市場有三個主要部分：衛星導航、衛星通信和地球觀測。導航衛星用于導航信號和數據的全球分布，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、車隊和資產管理以及自動駕駛技術——無人駕駛汽車和卡車有望成為下一件大事。電信衛星或衛星通信的例子是電視、電話、寬帶互聯網和衛星廣播。這些系統可以在發生破壞地面電信網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網和移動娛樂都是不斷增長的細分市場。地球觀測衛星用于傳輸環境數據。對地球的天基觀測促進了可持續農業，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。地球觀測衛星有助于保護水資源和改善天氣預報，因此衛星服務的范圍非常廣泛且不斷增長。

那么衛星上使用什么類型的電子系統呢？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組成：結構子系統、遙測子系統、跟蹤和指揮子系統、電力和配電子系統、熱控制子系統以及姿態和速度控制子系統。結構子系統是機械結構，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、跟蹤和命令子系統包括接收器、發射器、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的狀態。電力和配電子系統將太陽能轉換為電能，并為航天器電池充電。熱控制子系統有助于保護電子設備免受極端溫度的影響。最后，姿態和速度控制子系統是軌道控制系統，它由傳感器組成，用于測量飛行器方向和執行器（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。姿態和控制系統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導航衛星，這將包括原子鐘，導航信號發生器以及高功率RF放大器和天線。就電信系統而言，有效載荷將包括天線、發射器和接收器、低噪聲放大器、混頻器和本振、解調器和調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、衛星通信、電子戰、微波頻譜雷達系統、雷達系統和毫米波頻譜衛星成像。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 和射頻開關與 ADI 的高性能線性產品、高速 ADC、DAC、有源混頻器和 PLL 產品組合相結合，可提供端到端系統解決方案。

自然空間輻射環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。自然空間輻射環境會損壞電子設備，其影響范圍從參數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星系統故障。靠近地球的輻射環境分為兩類：被困在范艾倫帶中的粒子和瞬態輻射。被困在范艾倫帶中的粒子由高能質子、電子和重離子組成。瞬態輻射由銀河宇宙射線粒子和太陽事件粒子（日冕物質拋射和太陽耀斑）組成。輻射影響衛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與時間相關的累積電荷。通過晶體管的粒子在熱氧化物中產生電子空穴對。累積的電荷會產生漏電流，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子（內帶），而在GEO中，主要輻射源是電子（外帶）和太陽質子。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 （SEU）、多位翻轉 （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生低阻抗路徑，從而產生高電流條件。因此，SEL 可能會導致潛在和硬錯誤。

軟錯誤的例子是位翻轉或存儲單元或寄存器狀態的變化。SET是由高能粒子注入器件的電荷產生的瞬態電壓脈沖。這些瞬態脈沖會導致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。

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。該錯誤很難，因為數據丟失，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，甚至損壞系統電源。

技術趨勢和輻射效應

就衛星有效載荷而言，儀器變得越來越復雜。曾經，通信衛星基本上是彎曲的管道中繼器架構，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。更復雜的電子設備意味著更大的輻射效應風險。大容量、小型衛星星座正在使用更多的商業級塑料部件。商用現貨（COTS）設備通常對輻射效應更敏感。同樣，對于小型衛星，電子設備的結構質量屏蔽較少。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的數量。用于處理更高速瞬態信號的緩解技術可能更具挑戰性。

ADI公司為支持空間級應用所做的努力

航天產品事業部利用ADI公司的器件產品組合為航天工業提供支持。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。我們還能夠將設計移植到抗輻射的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 系統和用于 K 類混合和多芯片模塊的 MIL-PRF 38534 開發和發布完全合格的 S 類 QMLV 產品。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，對于新產品發布，我們提供單一事件效應測試數據。

ADI公司提供商業、工業、增強產品（EP）、汽車、軍事和空間認證器件。EP器件旨在滿足關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軍用規范設計的多芯片模塊，如 QMLV 和 QMLK 器件。ADI公司還為開發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。根據標準航空航天數據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，旨在滿足關鍵任務要求和高可靠性應用要求。根據客戶的意見，我們正在為太空應用啟動一個新的設備產品類別，我們將其定義為增強型產品加（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化的可靠性。航天器設計人員被迫使用商業設備，以便在越來越小、功耗更低、成本越來越低的航天器中實現高水平的性能。空中的互聯網就是一個很好的例子。據估計，世界上60%的人口無法訪問互聯網。為了應對這一市場，公司正計劃在環繞地球的小型低成本衛星星座中部署大型星座，以便能夠訪問全球通信網絡。ADI公司正在與客戶合作定義EP+，以應對這一不斷發展的新市場。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、獨立的數據手冊和 EP 更改通知流程。這些設備在國防后勤局文檔系統下還具有關聯的 V62 供應商項目圖紙。當前發布的EP由特殊的EP后綴標識，并具有單獨的獨立數據表。

如前所述，ADI公司還在開發一種用于空間級應用EP以及LEO系統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據。

關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。在定義這一新產品類別時，衛星行業和ADI公司目前面臨的挑戰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品，而不僅僅是一個元件。

我們提供業界最全面的產品組合，具有行業領先的設備可靠性

我們提供單批日期代碼采購

先進的封裝和表征，可應對嚴峻的環境挑戰

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 的擴展溫度范圍內進行了生產測試

我們提供完全合格的QMLV設備，具有100%篩選和質量一致性檢查

我們提供輻射合格的設備...HDR，LDR，參見

較長的產品生命周期是ADI公司業務戰略的基石

我們擁有專門的航空航天和國防團隊，提供產品支持和應用支持

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 圖紙提供。該器件具有10 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勢。

審核編輯：郭婷