購買衛星的組織一直在尋求從太空資產中獲取不斷增長的價值：我們看到成像衛星運營商尋求更高的圖像分辨率、更快的幀速率、更精細的通道分辨率和更多的通道，以實現先進的多光譜和高光譜成像。

當設計人員創建具有足夠分辨率的成像有效載荷以滿足衛星運營商的需求時，他們會遇到下行鏈路帶寬受限的長期問題。低地球軌道（LEO）成像衛星每秒產生數十千兆比特的數據，每天繞地球運行大約16次，通過空間中繼網絡向地面發送恒定的數據流是不切實際的。

從歷史上看，圖像數據被壓縮并存儲在衛星上;然而，通過在衛星上執行更多的數據處理，以便將信息而不是原始數據傳輸到地面，可以更有效地使用提供與地面站連接的數據中繼網絡。這種變化推動了對組件的需求激增，這些組件能夠實現所需的高數據處理速率，同時滿足嚴格的耐輻射要求。

人工智能和機器學習（AI/ML）領域的發展為優化下行鏈路帶寬的使用創造了一些有趣的機會，例如，通過消除不包含任何感興趣內容的圖像（例如，在監測土地利用的衛星中，地面被厚云遮擋的圖像將沒有價值;或者在跟蹤海上交通的衛星中， 看不到船只的海洋圖像）。此外，AI/ML的使用允許在衛星上自動決策，從而減少或消除人為分析，這可能會給成像數據的部署增加數天或數周的延遲。

隨著飛行任務要求的發展，對空間資產最新技術的需求明顯而持久;然而，部署在太空中的任何產品都需要滿足可持續和可靠運行的某些基本要求。為地球觀測成像提供更快的重訪率的需求推動了對實地衛星星座的需求，這反過來又推動了降低衛星購置成本的要求。

為了準備用于空間應用的商業部件，需要三個關鍵步驟：輻射評估、包裝和鑒定。

輻射評估

太空中的輻射效應是普遍存在的，取決于軌道。必須評估輻射效應對任何運往空間的部件的有害影響，因為輻射可能對部件造成物理損壞，從而造成衛星關鍵設備的運行損失。表1總結了各種地球軌道上的輻射效應。

［表1 |地球軌道上的輻射效應。

空間中的輻射效應分為兩大類：總電離劑量（TID）效應和單事件效應（SEE）。

TID是指輻射的長期積累。在大多數微電子器件中，TID會導致性能下降和漏電流增加。TID 甚至可能導致功能完全喪失。TID效應可能會隨著晶圓制造工藝的微小差異而變化，因此用于空間應用的微電路通常以每個晶圓批次為基礎提供TID測試。任何微電路在太空中的成功部署都取決于對正在飛行的設備的TID效應的完整理解。

SEE是指微電路與單個亞原子粒子相互作用的結果。在太空應用中，這通常是質子或重離子，而在航空應用中通常是中子。SEE可分為幾個子類別：單事件閂鎖、單事件翻轉、單事件瞬變和單事件功能中斷。

單事件閂鎖是一種現象，其中寄生PNPN ［陽極/陰極］結構由于重離子引起的電離而變得正向偏置，傳導電流水平可能對集成電路造成不可逆轉的損壞。

當重離子通過微電路時，由于硅原子電離和隨后的復合產生的電流脈沖，在觸發器和嵌入式存儲元件中會發生單事件翻轉。設計人員可以使用多種形式的緩解措施，例如用于觸發器的三重模塊化冗余 （TMR） 以及用于存儲器的錯誤檢測和糾正 （EDAC） 編碼和解碼。

雖然觸發器或嵌入式存儲單元中的單位擾動可能產生的影響有限，但如果它們發生在基于靜態隨機存取存儲器（SRAM）的現場可編程門陣列（FPGA）的配置存儲器中，則可能是災難性的。在這種情況下，單個重離子會導致FPGA的功能發生意外變化。需要以配置清理和修復的形式產生大量系統開銷，以緩解配置干擾。

在組合邏輯中，由單事件輻射效應引起的信號瞬態變化稱為單事件瞬變，如果在寄存器時鐘的正好時刻，瞬態存在于寄存器的數據輸入端，則可能會出現問題。在這種情況下，瞬態保留為單位翻轉。隨著時鐘頻率的增加，捕獲瞬態的概率也會增加。

任何導致集成電路功能變化的單個輻射事件稱為單個事件功能中斷。隨著集成電路（IC）變得越來越復雜，發生單事件功能中斷的模式數量急劇增加。

任何微電路在太空中的成功部署都取決于對正在飛行的設備的輻射效應的全面了解。因此，對于開發航天硬件的組織來說，獲得采購飛行部件的確切晶圓批次的測試數據非常重要。然而，對輻射效應的評估需要破壞性試驗;飛行裝置不能測試輻射效應，因為這會嚴重影響部件的預期壽命。TID效應的測試是在每個晶圓批次的樣品基礎上進行的。SEE測試在產品壽命的早期進行，因為SEE依賴于集成電路設計，并且往往不會隨著晶圓制造工藝而變化太大。

商業零件必須格外小心，因為任何商業零件的運輸都可能來自不同的晶圓批次 - 甚至可能是不同的芯片修訂甚至不同的代工廠 - 這可能會大大增加零件中輻射效應的可變性。如果沒有嚴格的可追溯性，就不可能確定接受輻射測試的部件是否代表正在飛行的部件。相比之下，為太空飛行提供的微電路通常具有完整的批次可追溯性，設備制造商可以為采購飛行部件的特定晶圓批次提供TID測試數據。

包裝

密封陶瓷封裝用于高可靠性衛星中使用的大多數微電路。使用陶瓷封裝有三個主要原因。第一個涉及陶瓷封裝的可檢查性：管理空間系統所用組件制造和測試的軍事標準（例如MIL-PRF 38534、MIL-PRF 38535和MIL-STD 883 B類）要求在密封封裝之前對封裝中的集成電路進行第三方檢查，以便驗證組件的質量。在蓋子密封之前，很容易在陶瓷包裝中進行檢測。

陶瓷封裝的另一個優點是，在極端溫度或真空中，陶瓷材料不會釋放蒸汽，這種現象稱為除氣。相比之下，塑料封裝會釋放蒸汽，這會導致太空中的光學元件起霧。密封陶瓷封裝的最后一個優點是，它們可以在航天硬件的組裝和集成過程中保護內部的微電子元件免受有害水分或電路板清潔液的侵入。

由于這些原因，最嚴格和最高級別的任務（例如國家安全太空任務和載人航天任務）都需要密封陶瓷封裝。

隨著性能要求的提高，陶瓷封裝面臨著一些日益嚴峻的挑戰。現代IC需要的更多I/O引腳要求信號、電源和接地引腳安裝在封裝底部的2D陣列中，而不是像陶瓷四方扁平封裝（CQFP）等傳統封裝那樣在封裝外部線性排列引腳。封裝和電路板之間的熱膨脹系數不匹配會導致機械應力，當印刷電路板（PCB）在擴展的溫度范圍內循環時，會導致正常的焊球剪切。為了解決這個問題，使用焊柱代替焊球;焊柱具有機械柔性，可吸收與電路板和陶瓷封裝的不同熱膨脹率相關的機械應力。

陶瓷封裝的另一個挑戰與其電氣特性有關。最新的板載信號處理系統在IC之間和電路板之間設計了串行數據互連，數據速率達到10至12 Gb/sec范圍。陶瓷封裝可以跟上這些需求的步伐。然而，下一代系統將超過這些數據速率，這將挑戰當今的陶瓷封裝技術。陶瓷封裝供應商正在通過目前正在評估的新技術來應對這一挑戰。

由于使用陶瓷封裝的挑戰，一些太空計劃正計劃使用帶有塑料封裝的集成電路。與陶瓷封裝相比，塑料封裝具有更低的電寄生效應的優點，從而在高速I/O中實現更高的性能。此外，塑料封裝的熱膨脹系數更接近PCB材料的熱膨脹系數，從而大大降低了焊球上的機械應力，消除了對焊柱的需求，從而提高了性能。

資格

在IC的空間使用鑒定期間進行的測試取決于IC是集成到陶瓷封裝還是塑料封裝中。

對于陶瓷封裝的IC，認證按照既定標準進行，例如MIL-PRF 38535或等效的ESA ［歐洲航天局］規范。大多數美國供應商將有資格獲得MIL-PRF 38535。表1列出了資格認證的主要步驟。MIL-PRF 38535中規定了兩個級別的資格，稱為QML ［合格制造商列表］ Q級和QML級V.QML級Q適用于高可靠性國防應用，而QML級V適用于最高可靠性的空間應用。QML Q 級和 V 級之間的主要區別在于 V 級具有最嚴格的認證要求，例如認證樣品的高溫工作壽命測試 4，000 小時，而 Q 類則需要 1，000 小時。

采用陶瓷封裝的集成電路示例包括 Microchip 的 RTG4 耐輻射 QML Q 類和符合 V 類標準的 FPGA。

對于塑料封裝的集成電路，整個航天工業沒有就資格標準達成一致。在為空間應用提供塑料封裝的情況下，資格認證活動基于JEDEC固態技術協會標準。航天工業IC的主要供應商和消費者正在JEDEC委員會的框架內合作定義QML標準，用于對空間用塑料封裝IC進行鑒定和篩選。當就塑料封裝微電路的太空級鑒定和篩選的QML標準達成一致后，目前支持太空級產品的許多IC供應商可能會提供符合該標準的微電路。

新的替代方案

衛星服務提供商正在尋求開拓新市場或創造新的能力，例如全球通信網絡和高重訪率的表面成像，而這些都需要衛星星座。為了將部署大量衛星的成本保持在可管理的水平，衛星設計人員經常轉向不是專門為輻射環境或空間部署設計的組件。這樣做的風險在于，商用現貨（COTS）組件通常不具有空間遺產，空間資格，甚至晶圓批次的可追溯性或均勻性，這意味著在一個樣品上收集的輻射數據不一定代表用于太空飛行的部件。

為了應對這一困境，一些微電路制造商正在提供沒有全套QML空間級屏蔽的耐輻射組件，例如符合JEDEC標準的塑料球柵陣列封裝。像這樣的“Sub-QML”產品的開發可以提供一種替代方法，消除QML篩選以節省資金。使用耐輻射微電路可為太空任務提供高水平的保證和輻射遺產，并避免COTS組件缺乏可追溯性。

空間設計師不斷變化的需求推動了對高密度、高性能集成電路的要求。空間環境的惡劣性質要求用于空間應用的部件具有高水平的耐輻射性和高度的可靠性保證。無論使用塑料封裝還是陶瓷封裝，都需要制定一套明確的資格和篩選要求，以確保未來太空任務的成功。成熟的太空級微電路制造商正在提供更廣泛的產品范圍，包括傳統的QML合格組件以及一類Sub-QML設備，其中包括輻射耐受性和可追溯性的優勢，以及低成本的封裝和篩選。

審核編輯：郭婷