時至今日,全球有57%的人口(即地球上超過40億人)仍然無法使用寬頻網際網路,商業衛星營運商開始瞄準這一利潤豐厚的市場,發射數千個小型低軌道(LEO)太空船,為傳統的網路巨擘提供了巨大的掘金機會。

在亞洲、南美洲和非洲等開發中國家與新興市場,正著眼於促進國家能力建設的低成本地球觀測能力,並期望能夠自主收集資料以滿足當地的社會需求,例如監測環境、檢測氣候變化、全球暖化、森林砍伐、災害管理、成像定位石油和天然氣等自然資源,以及觀測地質構造等。

預計到2050年,全球人口將增加至接近100億,屆時糧食產量需求將增加70%。同時,種植作物的土地面積卻迅速減少,而全世界有95%的食物都來自於土壤中的種植。因此,要保障糧食的供給和長期可持續性,需要盡可能有效地利用現有的土地資源。

越來越多的地球觀測衛星使用高光譜光學和合成孔徑雷達(SAR)成像儀,以測量綠色植物反射的陽光、螢光(每種植物的生產率/生長率)和土壤品質,從而提高產量。這些觀測結果搭配地面上物聯網(IoT)感測器提供的土壤濕度、pH值和葉片濕度等資料,讓農民(或種植者) 能夠接近即時地瞭解土地的耕作狀態。如果資料顯示作物需要灌溉、施肥或除蟲,種植者可以根據此結果以及GPS資料,指揮牽引機在每個耕種點以特定的速度進行作業,從而實現真正的「精準農作」(precision farming)。

為了確保糧食供給的長期可持續性,海上的情況同樣不容樂觀:據估計,全球捕獲的魚類多達20%屬於非法捕撈,這種情況正在耗盡全世界珍貴的海洋資源。如今,開發中國家有10多億人口都依賴魚類作為主要的蛋白質來源。在各種天氣情況下以及夜間,衛星都可以使用光學、紅外線和SAR感測器即時監測船隻、捕撈方法和可疑行為。

目前大約有500億台裝置連接到網際網路,並開始採用基於機器對機器(M2M)衛星的物聯網連接至偏遠地區的一些重要系統,進行連續且即時的監控,例如檢查陸運貨物物流、海運辨識以及位置追蹤、觀察動物和設備的移動以及資產監督。

衛星導航可以為緊急服務提供即時位置監測和精確的計時服務,並為運輸、農業、漁業、土木工程和銀行業實現多種應用。

太空技術和基於衛星的應用已經無處不在,根據摩根士丹利(Morgan Stanley)最近預測,到2040年,太空經濟規模將達到1兆美元。

隨著發射成本持續下降,傳統和新興私人衛星營運商開始考慮利用低成本太空接取提供航太解決方案,以滿足上述種種社會需求。為了抓住這些機遇,過去十年來,全球已經成立了數千家商業航太公司。

太空電子產品歷經長期發展,如今早已不再是阿波羅(Apollo)任務中使用的那些高價訂製、抗輻射制導電腦和手工編織記憶體了。今天的航空電子技術比當年登月使用的技術更強大數百萬倍!

Apollo guidance computer & hand-woven rope memory

圖1:阿波羅制導電腦和手工編織記憶體。

傳統的衛星轉發器採用類比、射頻(RF)彎管式架構,適用於電信和廣播電視應用,它們接收上行鏈路資訊,然後將其載波頻率轉換後用於下行鏈路,如圖2所示。

analogue, bent-pipe transponder

圖2:彎管式類比轉發器。

如今的有效載荷要複雜得多了,它可提供衛星上解調再生方案來改善訊號雜訊比(SNR),以及數位波束成形技術來控制和最佳化性能,以滿足不斷變化的鏈路需求,並能用直接數位化和重新建構IF/RF載波以取代傳統的頻率轉換。傳統的衛星通訊變得越來越壅塞,營運商正轉進Ku、K、Ka、O和V波段等更高頻率,利用更寬的頻寬以提供最新的高輸送量服務,如即時、高解析的地球觀測服務。

Digital satellite transponder

圖3:數位衛星轉發器。

嚴苛的太空環境可能對未採取保護措施的電子設備造成嚴重損壞;持續暴露在高能粒子下,可能逐漸降低設備性能,最終導致元件損壞。在太空中快速穿過的宇宙射線可能擊中設備敏感位置,即刻引起單事件效應(SEE)。而重離子、中子和質子會使原子散射在半導體晶格中,從而帶來雜訊和誤差源。

真空是太空的固有特性,會引起材料昇華並釋放氣體,因此,太空微電子產品多半採用塑料或陶瓷封裝選項,以滿足不同類型任務的可靠性需求。

太空電子產品的可靠性

太空電子產品會受到太陽所發射的電離帶電粒子和宇宙射線的影響,這些粒子受地球磁場約束形成磁氣圈(圖4)。一方面,由於正電荷持續累積,太空電子產品會遭受長期總輻射劑量影響而使性能退化,最終可能阻止電晶體開關;另一方面,短期輻射則引起單事件效應,如邏輯電路和記憶體的單事件翻轉(SEU)效應、類比和組合數位電路的單事件瞬態(SET)效應、單事件鎖定(SEL)效應和功能中斷等。功率MOSFET在製造中採用不同於小訊號電晶體的摻雜度,可能出現單事件燒毀(SEB)和閘穿效應(SEGR)。

Earth's magnetosphere & SEE

圖4:地球磁氣圈和SEE圖示。(來源:Aerospace Corp)

航太產業希望充分利用超深次微米微電子元件更高整度、更快處理速度以及更低功耗的優勢。相較於商業晶圓廠,專業的抗輻射代工廠數量及其處理能力都在下降中,因此太空級晶片設計人員紛紛轉向消費級半導體技術,以因應其衛星上處理等需求。

然而,商業的半導體製程通常針對陸地環境中的消費應用進行最佳化,以為其生產具有高密度、高速率和低功耗的電路,例如其壽命通常為5至10年,工作溫度範圍通常為0至+ 80℃。衛星則要求電子產品在-55至+125℃的軍用級溫度範圍內工作——由於大多數超深次微米故障模式都是發熱引起的,因此無法保證產品在+80℃時的可靠性適用於+125℃應用。而且由於熱載流子效應,如果元件的溫度降低,其使用壽命也會縮短,因而同樣無法確保0℃時的可靠性以及在-55℃時有效。

為了提供更高可靠性,一些新的太空公司開始採用具有-40到+110℃擴展溫度範圍的工業或車用級半導體。為了進一步提供太空領域使用者更增強的產品保障和可追蹤性,強化塑膠(Enhanced Plastic)產品可保證其元件的溫度範圍為-55到+125℃,並提供良好的批次管理,確保元件不會因代工廠、批次和晶圓的不同而有任何差別。有些晶片供應商還提供量化商用現貨(QCOTS)和COTS+元件,它們經過篩選而具有更高的可靠性,如進行老化測試以辨識別和清除廢品、檢查濕度和氣體釋放,並利用X射線和C型掃描聲學顯微鏡(C-SAM)檢查以檢驗微晶片結構的完整性,克服了常見的塑膠元件故障問題。

相較於專業的抗輻射代工廠,商業晶圓廠並不生產MIL-PRF-38535或ECSS 2269000中分別定義的合格QML或ESCC元件。現在是由半導體供應商對製程和封裝進行把關,並對批次生產進行輻照、測試和鑑定,然後交付給最終客戶。

通常,CMOS元件的微縮改善了太空級微電子元件的總劑量和鎖定靈敏度。閘極氧化物越薄,捕獲的正電荷就越少;更低的電源電壓和更小的寄生雙極型矽控整流器增益,分別改善了抗總劑量和鎖定能力。由於電路密度增加,擾亂多個敏感位置所需的總電荷減少,解決SEE遷移問題變得更具挑戰性。

半導體供應商使用絕緣層上覆矽(SOI)、外延層和/或溝槽隔離技術製造,從製程級強化元件。透過電晶體的佈局設計可以降低元件對電離輻射的敏感度,OEM可以手動將邏輯/電路擴展三倍,將錯誤檢測與更正(EDAC)添加到記憶體,並使用擦除技術來提高性能。例如明導(Mentor Graphics)提供的軟體還可用於自動化局部、分散式和全域三模冗餘。

Triplication logic schemes added by EDA SW

圖5:以EDA軟體添加的三倍邏輯方案。

COTS元件和測試挑戰

矽鍺(SiGe)、砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)等微電子產品以及功率MOSFET等元件,能夠以某種方式使用或偏置以滿足多種太空任務的可靠性要求。

如果800美元的工業FPGA就可以滿足任務的可靠性需求,為什麼要花費8萬美元購買合格的太空級元件呢?對於某些太空船製造商而言,使用COTS元件是滿足任務性能和成本需求的唯一選擇。對許多OEM而言,完全合格的元件價格較高,交付週期較長,這是無法承受的。如今,許多COTS元件已成功運行於軌道上了。

使用COTS元件必須是整個設計流程中不可分割的一部份,即從最初選擇元件、評估其是否適合在太空中使用,以及到貨後應如何處理和儲存元件、最壞情況分析、元件測試和硬體設計等,均反映了系統的可靠性。在開發週期的早期進行原型設計以及老化測試,有助於排除早期失效故障,從而在正常運行階段能更可靠地使用元件。選擇COTS元件就像是考慮如何使用一個元件一樣。例如,最近有人請我評估一款具有雙極性ADC和大型CMOS配置邏輯的COTS BiCMOS ADC。作為風險評估的一部分,我擔心未做抗輻射處理的配置電路容易發生軟錯誤。輻射測試證實該邏輯會不斷重置(多次單粒子功能中斷,SEFI),因此該元件根本無法在太空中使用。

COTS ADC

圖6:帶軟錯誤配置邏輯的COTS ADC。

如今,太空中已有成千上萬顆小型衛星,它們可以促進未來的太空經濟。為了滿足營運商的價格點、緊迫的上市時程和/或投資者快速獲得投資報酬率的要求,製造商面臨著設計、測試和交付低成本太空船的主要壓力。因此,OEM通常使用較便宜的COTS元件,以保持市場競爭力,同時他們也在尋找更實惠的測試解決方案以有效驗證功能。

開發小型衛星電子產品時,測試是貫穿整個開發階段的重要工作:從最初建立系統架構期間進行COTS類比元件、數位邏輯、RF電路和天線的性能測試,到硬體展示器的功能檢驗,以及原型設計(工程模型,EM)階段的概念驗證等。接下來是資格認證(工程資格模型,EQM)階段,需要在代表性環境中使用熱真空室測量完整有效載荷子系統的性能,並進行整個太空船的驗證。在升空之前,通常在發射現場還要進行最終的整合測試,而在整個操作過程中則會定期進行軌道的傳輸鏈路檢查,以監控和確認服務品質。在每一個開發階段,小型衛星製造商都面臨不同的測試與測量挑戰。

太空技術和衛星應用變得無所不在,並影響著我們日常生活的各方面,人類因而擁有可持續發展的未來。

(參考原文:Changing trends in designing space electronics,by Rajan Bedi)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年10月號