從設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，重要的是在高可靠性空間應(yīng)用中權(quán)衡使用抗輻射Si MOSFET與基于替代材料（例如GaN HEMT功率器件）的COTS器件的獨(dú)特考慮因素。在本文中，我們將著眼于電路設(shè)計(jì)的不同方面，以更好地了解選擇其中一個(gè)的權(quán)衡。

 

隨著當(dāng)今航天工業(yè)商業(yè)化程度的提高，設(shè)計(jì)人員在平衡性能、項(xiàng)目成本、任務(wù)概況和風(fēng)險(xiǎn)方面面臨更多挑戰(zhàn)。即使對(duì)于傳統(tǒng)的太空和公共部門參與者來(lái)說(shuō)也是如此。數(shù)百家初創(chuàng)公司、大學(xué)研究人員，甚至普通群眾現(xiàn)在都在建造和發(fā)射廉價(jià)衛(wèi)星，例如流行的 CubeSat 設(shè)計(jì)。通常以低地球軌道 (LEO) 為目標(biāo)，任務(wù)長(zhǎng)度為數(shù)月而不是數(shù)年，這些新的太空任務(wù)傾向于使用耐輻射或符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的 COTS 電子設(shè)備來(lái)節(jié)省成本或研究新技術(shù)。

 

汽車級(jí)和COTS電子產(chǎn)品的成本要低得多，滿足工業(yè)應(yīng)用的可靠性標(biāo)準(zhǔn)和性能基準(zhǔn)，但在設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮輻射穩(wěn)健性。雖然一些COTS部件可能顯示出固有的輻射耐受性，但它們的設(shè)計(jì)可能會(huì)或可能不會(huì)達(dá)到與抗輻射組件相同程度的輻射。

 

使用COTS電子設(shè)備會(huì)引入許多未知因素，例如晶圓批次之間的部分同質(zhì)性和一致性以及部分可追溯性。為了提高空間應(yīng)用的置信度，此類設(shè)備可能會(huì)在使用前以額外費(fèi)用接受進(jìn)一步測(cè)試，稱為升級(jí)篩選。這也擴(kuò)展到寬帶隙器件的使用，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 晶體管。但是，即使進(jìn)行了篩選，也不能保證。即使來(lái)自同一制造商，測(cè)試結(jié)果也可能有所不同?；蛘?COTS 部件可能無(wú)法按需要運(yùn)行并在輻射條件下存活。所有這些都給項(xiàng)目增加了更多風(fēng)險(xiǎn)。

 

抗輻射電子提供對(duì)單個(gè)晶圓批次的可追溯性，因此在進(jìn)行破壞性物理分析或其他篩選時(shí)，空間設(shè)計(jì)人員可以對(duì)部件的均勻性和長(zhǎng)期性能（包括空間輻射和可靠性）充滿信心。更短、高冗余、次年的任務(wù)和探索新技術(shù)的LEO衛(wèi)星肯定會(huì)從COTS組件中受益。然而，對(duì)于“重大故障風(fēng)險(xiǎn)”是不可接受的長(zhǎng)期任務(wù)，高可靠性電子設(shè)備的基準(zhǔn)仍然是抗輻射硅。

 

 

太空輻射挑戰(zhàn)

 

輻射在太空中無(wú)處不在，會(huì)對(duì)沒(méi)有采取緩解措施的電子設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。空間輻射可以通過(guò)兩種主要方式影響功能。與管芯氧化層相互作用的輻射會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期累積損傷，指定為總電離劑量。第二個(gè)影響是單事件效應(yīng)，可導(dǎo)致可恢復(fù)的單事件瞬態(tài)和災(zāi)難性故障。當(dāng)施加高電壓時(shí)，快速而重的粒子撞擊柵極區(qū)域會(huì)導(dǎo)致柵極氧化物上產(chǎn)生高瞬態(tài)電場(chǎng)，從而導(dǎo)致其破裂。這被稱為單事件門破裂。漂移區(qū)中的類似事件也可能導(dǎo)致源極和漏極之間的短路。最好的情況是它只是一個(gè)瞬間的非破壞性短路。在最壞的情況下，使用抗輻射電子設(shè)備可以防止此類故障機(jī)制。例如，抗輻射硅MOSFET最初是在1980年代推出的，使用設(shè)計(jì)和制造技術(shù)來(lái)降低對(duì)輻射暴露的敏感性。多年來(lái)，更穩(wěn)健的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)、篩選和認(rèn)證已經(jīng)發(fā)展到幾乎可以確保無(wú)故障的輻射性能。

 

最終，是使用抗輻射還是COTS電子設(shè)備取決于幾個(gè)因素——任務(wù)概況、性能參數(shù)、功能關(guān)鍵性、成本等等。在某些情況下，犧牲可靠性和抗輻射能力可能是可接受的風(fēng)險(xiǎn)，以幫助滿足預(yù)算限制或在冗余或不太關(guān)鍵的系統(tǒng)中測(cè)試新技術(shù)。但是當(dāng)優(yōu)先考慮可靠性時(shí)，例如對(duì)于高度關(guān)鍵的功能或長(zhǎng)期、深空或行星際任務(wù)，抗輻射硅是明確的選擇。

 

簡(jiǎn)化升級(jí)是關(guān)鍵

 

在這個(gè)充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，重復(fù)使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)是任務(wù)可靠性的關(guān)鍵。使用經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證的設(shè)計(jì)可保持已證明的可靠性和對(duì)長(zhǎng)期成功機(jī)會(huì)的期望。電路板布局和電路優(yōu)化是一項(xiàng)主要的設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估投資，尤其是對(duì)于高可靠性應(yīng)用。例如，在花費(fèi)大量精力優(yōu)化降壓轉(zhuǎn)換器的跡線寄生效應(yīng)后，升級(jí)到更先進(jìn)的下一代Si MOSFET比使用GaN等不同技術(shù)開(kāi)始全新設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多。新的尺寸兼容、更高效的 Si MOSFET（如 IR HiRel 的 R9）可以直接用于性能提升，而設(shè)計(jì)論證和重新認(rèn)證所需的工作要少得多。

 

耐輻射 Si MOSFET

 

IR HiRel 的抗輻射 R9 MOSFET 系列是最新一代 Si 器件，專為應(yīng)對(duì)需要高可靠性、穩(wěn)健性和可追溯性的航天級(jí)電子挑戰(zhàn)而設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單的插入式更換可以重復(fù)使用已建立的、經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，以最少的努力提高系統(tǒng)效率，并降低高吞吐量衛(wèi)星的每比特成本。設(shè)計(jì)人員受益于R9與各種柵極驅(qū)動(dòng)器的兼容性、對(duì)寄生參數(shù)的更低敏感性、更高的電流能力以及在線性模式操作中比替代技術(shù)更好的 SOA。與上一代抗輻射MOSFET相比，這些硅器件還為空間應(yīng)用設(shè)計(jì)人員提供了直接的性能和封裝改進(jìn)，同時(shí)保持了既定和預(yù)期的可追溯性和可靠性水平。

 

概括

 

選擇正確的組件對(duì)于所有太空任務(wù)的成功至關(guān)重要，但許多因素——如任務(wù)概況、預(yù)算限制、風(fēng)險(xiǎn)等。隨著行業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)COTS和抗輻射組件的用途。然而，目前，只有抗輻射硅器件展示了數(shù)十年使用中經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證的傳統(tǒng)，加上完善的質(zhì)量和可靠性標(biāo)準(zhǔn)以及豐富的技術(shù)理解。此外，借助抗輻射硅，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以確保此類設(shè)備符合JANS和QPL標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠滿足需要這些級(jí)別可靠性的任務(wù)的TOR要求。為了在空間應(yīng)用中獲得最高水平的信心和可靠性。

 

 

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