半導(dǎo)體元件有助于確保太空極端環(huán)境中的可靠性和性能。在過去的 60 年里，微芯片在 100 多次太空任務(wù)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，推動了太空探索中一些最具歷史意義的里程碑的成功。從 1958 年美國首次成功的太空任務(wù)到正在進行的阿爾忒彌斯任務(wù)，這些組件（見表）一直在證明其價值。

Andy Turudic/EBM下表列出了一些已用于太空任務(wù)的半導(dǎo)體。

 半導(dǎo)體元件在太空任務(wù)中的關(guān)鍵作用

自從美國第一顆衛(wèi)星 Jupiter-C 導(dǎo)彈上的探索者 1 號發(fā)射以來，半導(dǎo)體必須證明其太空資質(zhì)，在外太空時滿足嚴格的輻射和可靠性標準。

太空任務(wù)中的半導(dǎo)體元件始于頻率控制設(shè)備。石英晶體振蕩器、壓控 SAW 振蕩器 （VCSO） 或原子鐘等頻率控制在航天任務(wù)電子設(shè)備中至關(guān)重要，因為它可確保信號的準確傳輸和接收，保持通信穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)同步。

這些組件對 1958 年美國首次太空任務(wù)的成功至關(guān)重要，并為太空可靠性奠定了基礎(chǔ)。1969 年的阿波羅 11 號登月是人類最偉大的成就之一，也依賴于這些技術(shù)。Microchip 在月球表面的阿波羅 11 號登月艙 （LM） 以及用于機載制導(dǎo)計算機的關(guān)鍵邏輯組件（見圖）內(nèi)提供關(guān)鍵通信支持。

Microchip 技術(shù)Fairchild（現(xiàn)為 Microchip）的 RTμL 9915 NOR 門是 Apollo Guidance Computer 設(shè)計的基礎(chǔ)。

與世界上任何其他精密頻率參考相比，銣、SAW 和石英振蕩器支持更多的軍事通信、衛(wèi)星地面站和測試與測量應(yīng)用。

旅行者 1 號任務(wù)現(xiàn)在是距離地球最遠的人造物體，進一步展示了半導(dǎo)體在太空中無與倫比的性能。旅行者 1 號的電子設(shè)備混合了 TTL 和 CMOS 邏輯 IC、模擬元件、存儲芯片和定制半導(dǎo)體，旨在應(yīng)對深空挑戰(zhàn)。

旅行者 1 號的主計算機使用了名為 SPS-8 的定制中央處理器 （CPU），該單元由 NASA 為航天器設(shè)計。TTL 邏輯芯片是當時流行的數(shù)字集成電路類型;現(xiàn)在大多數(shù)半導(dǎo)體 IC 都是基于 CMOS 的。

近年來，半導(dǎo)體技術(shù)一直是火星探測的核心。“好奇號”和“毅力號”火星車為這顆火星提供了寶貴的見解，它們依靠這些組件在火星的惡劣環(huán)境中運行。

火星探測器，特別是毅力號探測器，包含來自 Microchip Technology 的多個組件。其中包括用于各種控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)的 SPARC 處理器，以及電源管理 IC （PMIC），這些 IC 對于有效管理漫游車不同部分的電源至關(guān)重要。所有這些都是抗輻射（抗輻射）組件，從而確保電子設(shè)備能夠承受惡劣的太空環(huán)境。這些組件對于火星車的運行至關(guān)重要，并幫助它在火星上執(zhí)行科學(xué)任務(wù)。

對于月球探測，印度的第三次月球探測任務(wù) Chandrayaan-3 任務(wù)使用了多種半導(dǎo)體元件。這些組件（例如耐輻射 （RT） 反熔絲 FPGA）對于任務(wù)的成功至關(guān)重要，使月球表面的通信、導(dǎo)航和科學(xué)實驗成為可能。

正在進行的 Artemis 任務(wù)旨在將人類送回月球并最終將他們送上火星，這也依賴于半導(dǎo)體技術(shù)經(jīng)過驗證的性能和可靠性。

可靠性和性能在太空計劃中的重要性

在惡劣的太空環(huán)境中，可靠性和性能不僅重要，而且至關(guān)重要。半導(dǎo)體元件是現(xiàn)代太空任務(wù)的核心，為從衛(wèi)星和漫游車到通信系統(tǒng)和空間站的所有設(shè)備提供動力。

考慮到太空的極端條件（嚴酷的溫度、強烈的輻射和太空的真空），組件必須長時間完美運行。即使是半導(dǎo)體中最小的故障也可能導(dǎo)致任務(wù)失敗，這凸顯了選擇高度可靠元件的重要性。

太空輻射的挑戰(zhàn)

太空中充滿了高水平的輻射，這對電子元件可能是毀滅性的。輻射會降低材料質(zhì)量，導(dǎo)致電氣故障，并損壞正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。例如，地球保護大氣層之外的太陽輻射環(huán)境可能會使組件暴露于高能粒子中，從而導(dǎo)致單粒子翻轉(zhuǎn) （SEU） 或總輻射劑量損傷。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，先進的抗輻射技術(shù)包括使用抗輻射半導(dǎo)體等專用材料。這些設(shè)計修改降低了對輻射的脆弱性。例如，機載計算機中使用的航天級微處理器通常采用抗輻射設(shè)計 （RHBD），因此故障不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。

模擬太空條件的堅固測試

除了抗輻射之外，在太空任務(wù)方面有悠久歷史的公司還率先采用了嚴格的測試和鑒定流程，以確保其組件的可靠性和性能。這些測試遠遠超出了正常的制造質(zhì)量控制。

太空級半導(dǎo)體經(jīng)過廣泛的熱循環(huán)測試，模擬太空中的廣泛溫度變化——從太陽的酷熱到深空的嚴寒。一個例子是 NASA 對“毅力號”火星探測器的組件進行測試，該探測器經(jīng)歷了 -55°C 到 125°C 的溫度波動，要求組件能夠承受如此極端的天氣而不會出現(xiàn)故障。

組件還經(jīng)過振動測試，以模擬發(fā)射過程中所經(jīng)歷的應(yīng)力和振動。火箭發(fā)射過程中產(chǎn)生的強大力與地球上看到的任何東西都不同;因此，半導(dǎo)體元件必須能夠承受這些條件，而不會影響其完整性。例如，在阿波羅 11 號任務(wù)期間，關(guān)鍵電子設(shè)備要接受振動測試，以確保它們能夠在強大的發(fā)射力下幸存下來，最終為登月的成功做出貢獻。

長期可靠性：太空歷史示例

太空任務(wù)要求組件不僅在任務(wù)期間工作，而且隨著時間的推移繼續(xù)可靠運行。1977 年發(fā)射的旅行者 1 號航天器是可靠性對于長期任務(wù)至關(guān)重要的一個典型例子。在太空中飛行了 40 多年，由于采用經(jīng)過嚴格測試可承受極端條件的抗輻射半導(dǎo)體元件，該航天器繼續(xù)與地球通信。

另一個例子是國際空間站 （ISS），它依靠大量基于半導(dǎo)體的系統(tǒng)來維護生命支持系統(tǒng)、進行科學(xué)實驗并保持通信線路暢通。國際空間站經(jīng)常暴露在太空的惡劣輻射環(huán)境中，溫度范圍從 +121°C（面向太陽）到 -157°C（陰涼處），每 45 分鐘左右交替一次。然而，板載的半導(dǎo)體元件必須日復(fù)一日地可靠運行。

擴展前沿：太空市場的演變

航天工業(yè)的一個發(fā)展趨勢是越來越多地使用商用現(xiàn)貨 （COTS） 設(shè)備，由于這些設(shè)備可立即使用，因此為太空任務(wù)提供了經(jīng)濟高效的解決方案。Starlink 的低地球軌道 （LEO） 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)利用 COTS 組件來降低成本并加快生產(chǎn)速度。許多機載電子設(shè)備，特別是對于非關(guān)鍵系統(tǒng)，都依賴于這些組件，這些組件既經(jīng)濟實惠，又經(jīng)過精心挑選，在太空環(huán)境中具有可靠性。

一個很好的例子是由 ESA（歐洲航天局）和 CNES（法國航天局）開發(fā)的歐洲發(fā)射器 Ariane。阿麗亞娜 5 號（1985 年）配備了一個硬化的 QML 級 SPARC 中央處理器，采用密封封裝，并配備了 1553 網(wǎng)絡(luò)，用于火箭內(nèi)所有系統(tǒng)之間的通信。

最新版本 Ariane 6 （2024） 現(xiàn)在嵌入了基于 Arm 架構(gòu)的 COTS 處理器，采用塑料封裝。它使用與廣泛采用的行業(yè)標準相同的以太網(wǎng)進行通信，這與 Ariane 5 中使用的太空/軍事特定技術(shù)形成鮮明對比。

然而，對于必須在天基通信中保持強大性能的高可靠性系統(tǒng)，需要對 COTS 設(shè)備進行調(diào)整和認證，這需要專業(yè)知識。尋求進入新太空市場或從新太空過渡到深空的公司正在與半導(dǎo)體公司合作，這些公司擁有成熟的飛行歷史，能夠升級 COTS 設(shè)備以滿足太空任務(wù)的嚴格要求。

短期內(nèi)，半導(dǎo)體在太空中的未來將是多種策略的混合：升級 COTS 設(shè)備，利用我們的航天經(jīng)驗和 sub-QML 版本的產(chǎn)品來減少篩選要求，降低成本，縮短交貨時間，以及定制制造工藝以滿足特定任務(wù)配置文件的獨特要求。

通過結(jié)合這些方法，半導(dǎo)體在太空中實現(xiàn)了穩(wěn)健且適應(yīng)性強的未來，同時最大限度地降低了成本、復(fù)雜性并承擔(dān)了適當?shù)娘L(fēng)險。

太空半導(dǎo)體元件的未來

隨著 LEO 星座的興起和太空商業(yè)化的不斷發(fā)展，航天工業(yè)不斷發(fā)展，對可靠、高性能半導(dǎo)體元件的需求也在不斷增長。新的太空企業(yè)需要能夠應(yīng)對獨特挑戰(zhàn)的組件，將高可靠性、創(chuàng)新和利潤驅(qū)動目標相結(jié)合。