衛(wèi)星發(fā)射成本的降低為替代軌道上的非傳統(tǒng)小型衛(wèi)星創(chuàng)造了新的機會。對于這些應(yīng)用，通常不需要使用昂貴的抗輻射（抗輻射）認證組件。相反，耐輻射技術(shù)可以為這些較小的項目節(jié)省大量資金，并提高安全裕度。確定商用現(xiàn)貨（COTS）組件是否耐輻射的可靠方法可以使設(shè)計人員能夠篩選組件是否符合滿足任務(wù)要求的目標輻射標準。

根據(jù)德勤2016年全球航空航天和國防行業(yè)展望，2016年全球航空航天和國防工業(yè)預(yù)計將增長3%。組件小型化方面的創(chuàng)新和不斷降低的衛(wèi)星發(fā)射成本代表了這一收入增長的大部分。這些因素反過來又導(dǎo)致小型衛(wèi)星星座的數(shù)量急劇增加。行星實驗室等公司發(fā)射和運營星座，星座是由許多小衛(wèi)星組成的組;例如，該公司的FLOCK 1解決方案由28顆小型低地球軌道（LEO）衛(wèi)星組成，它們協(xié)同工作以進行地球測繪應(yīng)用。對于通信應(yīng)用，星座可以由數(shù)百顆小型衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星共同工作，以便與地面站保持持續(xù)聯(lián)系。幾家公司正在努力在未來幾年推出更大的星座，并正在考慮如何降低附屬體積成本。

根據(jù)采用的 MIL-HDBK-814、MIL-HDBK-816 和 MIL-HDBK-817 輻射硬度保證 （RHA） 程序選擇經(jīng)過抗輻射認證的組件是設(shè)計師的必經(jīng)之路。嚴格的 RHA 標準根據(jù)總電離劑量 （TID）、中子位移損傷和單事件效應(yīng) （SEE） 的各種指定標準對整個零件生產(chǎn)線進行認證。雖然這種有保證的質(zhì)量讓設(shè)計師高枕無憂，但抗輻射組件的額外費用可能會讓設(shè)計師和財務(wù)經(jīng)理停下來。某些半導(dǎo)體或集成電路的單個芯片的成本很容易達到數(shù)百美元。由于單個組件成本如此之高，即使是簡單的子系統(tǒng)的物料清單 （BOM） 成本也可能膨脹到數(shù)萬美元。

使用抗輻射部件最便宜的替代方案是簡單地使用 COTS 產(chǎn)品。然而，由于無法保證輻射耐受性，不可預(yù)見的嚴重故障的可能性往往大于節(jié)省的成本。

使用抗輻射部件和使用完全未經(jīng)測試的 COTS 部件之間的折衷是使用選擇性篩選的 COTS 批次中的部件。通過這種方法，可以篩選特定批次的 RHA 耐受性。對大量現(xiàn)成且成本較低的 COTS 組件進行選擇性篩選比認證整條生產(chǎn)線要容易得多。此外，篩查還有其他優(yōu)勢，例如在按照MIL-STD-750和MIL-STD-883中規(guī)定的相同嚴格標準進行測試時，可以發(fā)現(xiàn)特定任務(wù)水平的公差。

抗輻射過度殺傷力

為了使制造商使用MIL-PRF-38534，MIL-PRF-38535或MIL-PRF-19500規(guī)范中的JAN（聯(lián)合陸軍和海軍）或RHA（輻射硬度保證）級標志來標記其半導(dǎo)體或混合產(chǎn)品，必須遵循嚴格，耗時且昂貴的認證過程，這自然會導(dǎo)致這些抗輻射部件的價格標簽溢價。軍事手冊通常推薦至少指定為RHA級R［1.0E05 rad（Si）］的部件，作為任何空間應(yīng)用的首選;這個“R”級在指示圖騰柱上相當高，進一步推高了價格。

對于小型項目，例如那些需要發(fā)射低重量LEO衛(wèi)星的項目，好消息是這些高標準是不必要的。雖然LEO衛(wèi)星比高軌道衛(wèi)星經(jīng)歷的空氣阻力大得多，但它們的輻射也更少。例如，典型的LEO輻射劑量率為每秒1.0E-04 rad（Si），一顆10年壽命的衛(wèi)星將僅累積3.0E04 rad（Si），大大低于RHA級別R所需的1.0E05 rad（Si）水平。 圖1描述了兩個COTS晶片和一個RHA MOSFET晶圓對TID反應(yīng)的柵極閾值。在此類測試中，商用設(shè)備幾乎總是會產(chǎn)生更顯著的反應(yīng)，但仍有可能找到在任務(wù)特定劑量的輻射下通過參數(shù)限制的設(shè)備。

圖1：MOSFET 閾值與 TID 的關(guān)系

雖然這些LEO累積的輻射水平通常遠低于抗輻射認證中使用的輻射水平，但使用未經(jīng)篩選的部件可能非常危險。未經(jīng)測試的組件在積累 TID 或暴露于位移損壞或 SEE 后可能會表現(xiàn)出未知的行為。關(guān)鍵 COTS 部件的故障很容易導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障。如果不描述這些部件對輻射暴露的反應(yīng)，就不可能預(yù)測何時會發(fā)生故障或行為變化。

項目預(yù)算越低，依賴現(xiàn)成的產(chǎn)品就越有意義，因為既有成本效益又易于更換。現(xiàn)代 COTS 組件，尤其是來自依賴航空航天和國防工業(yè)業(yè)務(wù)的制造商的組件，繼續(xù)推動質(zhì)量和性能的界限;這些產(chǎn)品通常與具有非常相似工藝的RHA等效產(chǎn)品一起制造。除了未經(jīng)證實的抗 RHA 效應(yīng)可靠性外，只要牢記其保證規(guī)格，COTS 零件就沒有理由被視為劣質(zhì)。

篩查嬰兒床

可以對大量或晶圓的 COTS 半導(dǎo)體或混合體進行耐輻射性篩選，以達到與 RHA認證部件相同的嚴格質(zhì)量和可靠性標準。事實上，國防后勤局（DLA）批準的輻射測試設(shè)施符合適用于被測設(shè)備的所有相關(guān)法規(guī)，通常使用標準MIL-STD-750或MIL-STD-883。

設(shè)計人員對器件對 TID、位移損壞或 SEE 所需響應(yīng)的信心越高，找到適合其項目的 COTS 晶圓的機會就越大。在產(chǎn)品線中的大量批量生產(chǎn)設(shè)備中，總有各種晶圓碰巧對一種或多種類型的輻射反應(yīng)良好，即使它們偏離了原始規(guī)格。相當于JAN高可靠性雙極結(jié)型晶體管（BJT）的COTS可能會在輻射后MIL-PRF-19500 D組檢查中失敗一個或多個參數(shù)，但如果參數(shù)偏移是可預(yù)測的，因此在整體設(shè)計中得到考慮，它仍然完全適合在項目中使用。

COTS耐輻射性篩查計劃的最終目標是通過盡可能避免RHA保費，使項目更具成本效益。但是，這種方法確實存在一些陷阱，會破壞這一目的。由于尋找具有良好特性的器件晶圓是隨機的，因此決定篩選每個器件的晶圓數(shù)量是一項重大挑戰(zhàn)。如果篩選太多，相關(guān)成本似乎不再有利，但僅測試單個晶圓會使輻射篩選的顯著成本與晶圓以可接受的方式響應(yīng)的幾率相比較。選擇至少幾種不同的晶圓應(yīng)該可以提高幾率，同時仍保持成本效益。

確保成本效益的另一個策略是設(shè)置最能表征設(shè)備在最終產(chǎn)品中將經(jīng)歷的條件的測試。這種方法包括間隔良好的暴露水平的測試點，以準確確定負面影響何時會危及預(yù)期用途，并且 - 如果相關(guān) - 考慮退火測試以確定零件是否可以移回正常規(guī)格。

審核編輯：郭婷