性能、可靠性和飛行傳統(tǒng)通常是空間應(yīng)用電子產(chǎn)品的主要關(guān)注點(diǎn)。根據(jù)任務(wù)壽命和配置文件，設(shè)計(jì)人員在某些情況下可能會(huì)考慮使用商用現(xiàn)貨 (COTS) 部件。但是 COTS 電子設(shè)備與抗輻射（rad-hard）設(shè)備有很大不同。Si MOSFET 等抗輻射組件經(jīng)過設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證，可在最惡劣的工作條件下運(yùn)行，例如長(zhǎng)時(shí)間暴露在太空輻射中。

從設(shè)計(jì)的角度來看，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（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。

COTS 與否？

隨著當(dāng)今航天工業(yè)日益商業(yè)化，設(shè)計(jì)師在平衡性能、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)的太空政府和公共部門參與者來說也是如此。數(shù)百家初創(chuàng)公司、大學(xué)研究人員，甚至普通公民現(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)。通常針對(duì)低地球軌道 (LEO) 和數(shù)月而不是數(shù)年的任務(wù)長(zhǎng)度，這些新的太空任務(wù)傾向于使用抗輻射或汽車合格的 COTS 電子設(shè)備來節(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，符合工業(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魯棒性。

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。即使來自同一制造商，測(cè)試結(jié)果也可能有所不同。或者 COTS 部件可能無法按需要運(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)從使用 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。

圖 1：抗輻射硅 MOSFET 是需要高可靠性的長(zhǎng)期太空任務(wù)的最佳選擇。

太空輻射挑戰(zhàn)

輻射在太空中無處不在，會(huì)對(duì)沒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)在柵極氧化物上產(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)致源漏之間的短路。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)來降低對(duì)輻射暴露的敏感性。多年來，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，犧牲可靠性和輻射抗擾度可能是可接受的風(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)過驗(yàn)證的技術(shù)是任務(wù)可靠性的關(guān)鍵。使用經(jīng)過飛行驗(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（圖 2），升級(jí)到更先進(jìn)的下一代 Si MOSFET 比使用 GaN 等不同技術(shù)開始全新設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多。新的封裝兼容、更高效的 Si MOSFET，如 IR HiRel 的 R9，可以立即用于性能提升，設(shè)計(jì)論證和重新認(rèn)證所需的工作要少得多。

圖 2：經(jīng)過飛行驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，例如此降壓轉(zhuǎn)換器，需要大量時(shí)間來優(yōu)化用于高可靠性空間應(yīng)用的柵極驅(qū)動(dòng)電路和電路板布局。繼續(xù)使用 Si，而??不是為 SiC 或 GaN 重新設(shè)計(jì)，可以加速設(shè)計(jì)和重新認(rèn)證過程。

Rad-hard Si MOSFET 支持更高的柵極額定值（±20 V 與 GaN –5 V 至 6 V）并具有 30 至 200 ns 的上升時(shí)間（而 GaN 小于 5 ns），使它們不易受到電路寄生效應(yīng)的影響。降低柵極-源極電壓敏感性可能是 GaN 的一個(gè)問題，促使耗時(shí)的設(shè)計(jì)迭代來優(yōu)化電路板布局。相比之下，Si MOSFET 在布局方面相對(duì)寬容，可以更輕松地設(shè)計(jì)能夠承受寄生電感引起的電壓過沖的電路。最新一代的硅器件還顯示出與芯片和封裝相關(guān)的寄生參數(shù)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了更高性能的電路和效率增益，而無需犧牲使用 GaN 的重大風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于高開關(guān)頻率應(yīng)用，GaN 的小、<5 ns 上升時(shí)間可能足以超過其對(duì)寄生的敏感性。然而，使用具有極短上升/下降時(shí)間的開關(guān)確實(shí)需要花費(fèi)更多的設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估時(shí)間來優(yōu)化電路板布局和謹(jǐn)慎的組件選擇，同時(shí)還需要減少寄生效應(yīng)（表 1）。

表 1：電路板布局上上升/下降時(shí)間的權(quán)衡

對(duì)于需要線性模式操作的應(yīng)用，例如線性穩(wěn)壓器的通路元件、短路保護(hù)和熱插拔/軟啟動(dòng)，Si MOSFET 仍然是更優(yōu)越、更堅(jiān)固的選擇。在存在漏源電壓的情況下工作時(shí)，有必要考慮安全工作區(qū) (SOA) 特性。IR HiRel 的 100-V R9 MOSFET 等器件可以在 25?C 的情況下在 50 V 和 20 A 下運(yùn)行 100 μs。相比之下，具有相似電壓和電流額定值的 GaN 晶體管的性能更差，在相同條件下在 10 μs 邊界的邊緣運(yùn)行（圖 3 中的綠色圓圈）。

圖 3：100V 器件的 SOA 比較：R9 MOSFET（左）和 eGaN HEMT（右）

對(duì)于負(fù)載開關(guān)或高邊開關(guān)應(yīng)用，P 溝道 Si MOSFET 是一種出色、簡(jiǎn)單且可靠的選擇。由于用于開啟器件的柵極電壓加上閾值電壓低于輸入電壓，因此與 N 溝道 FET（無論是 Si 還是 GaN）相比，此應(yīng)用中的驅(qū)動(dòng)器電路非常簡(jiǎn)單且具有成本效益。這也有利于空間非常寶貴的應(yīng)用，例如非隔離負(fù)載點(diǎn)和低壓驅(qū)動(dòng)器。應(yīng)該注意的是，由于與硅替代品相比性能較差，目前沒有商用的 P 溝道 GaN 空間選擇。雖然理論上可行，但低電阻率和晶體缺陷密度的 P 溝道 GaN 器件并不容易制造。

由于較低的熱阻抗 ?jc，Si MOSFET 在承受脈沖功率時(shí)也顯示出較小的結(jié)溫升高。與 eGaN HEMT 相比，差異可高達(dá) 25%。

由輻射或電池/負(fù)載問題引起的瞬變通常會(huì)導(dǎo)致開關(guān)立即接合/斷開以保護(hù)電路。任何串聯(lián)電感都會(huì)產(chǎn)生 di/dt 感應(yīng)的電壓尖峰，如果超過特定擊穿電壓（圖 4），則會(huì)導(dǎo)致雪崩電流，用作自鉗位。只要不超過開關(guān)結(jié)溫，堅(jiān)固耐用的新一代 Si MOSFET 就可以恢復(fù)，在這種情況下恢復(fù)正常工作。

雖然有商用 GaN 部件列出了超出其絕對(duì)最大額定值的更高允許漏源電壓，但尚無任何可用作抗輻射的部件。由于 GaN 中沒有這種自鉗位，漏源電壓超過額定值的有增無減可能導(dǎo)致使用壽命縮短或?yàn)?zāi)難性破壞，從而使抗輻射硅成為更堅(jiān)固的選擇。值得注意的是，高達(dá) 650 V 的耐輻射 Si MOSFET，例如英飛凌最新的 ESA 認(rèn)證 PowerMOS 器件，現(xiàn)已上市。

圖 4：IR HiRel 的抗輻射 R9 Si MOSFET 旨在承受更高水平的雪崩能量，如反激式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中所示。

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)電子產(chǎn)品挑戰(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)器的兼容性以及對(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。

R9 MOSFET 通過 MIL-PRF-19500 JANS 認(rèn)證并直接發(fā)布到 DLA 的合格零件清單 (QPL)，提供多種封裝選項(xiàng)，包括新的 SupIR-SMD（圖 5）。SupIR-SMD 提供了顯著的改進(jìn)，以減輕電路板和封裝之間焊點(diǎn)中的熱應(yīng)力。1目前沒有符合 MIL-PRF-19500 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或可用作 DLA 或 ESA QPL 的空間 GaN 選項(xiàng)。

圖 5：SupIR-SMD 封裝減輕了高可靠性應(yīng)用中經(jīng)常遭受的熱誘導(dǎo)焊點(diǎn)應(yīng)力。

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——會(huì)影響哪些部件和技術(shù)最適合這種情況。隨著行業(yè)和技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)人員無疑會(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經(jīng)過數(shù)十年飛行驗(yàn)證的傳統(tǒng)，以及完善的質(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)，并且可以滿足需要這些級(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，

審核編輯：湯梓紅