抗辐射|IR和Intersil公司谈：深空挑战抗辐射集成电路的研发
空间飞行最大的挑战之一是如何应对辐射对电子元器件的影响。辐射加固集成电路被用于空间应用，以确保系统在这些恶劣环境中性能的可靠性。对于芯片制造商而言，意味着需要特别关注这些集成电路的设计、布局、制造工艺和测试。更高集成度、更小尺寸和更高功效的发展需求也对辐射加固集成电路的研发提出新挑战。
需求
最近测试这些任务关键器件的太空计划是“火星2020毅力号”探测器。Renesas公司市场应用总监Josh Broline说：“对于航天和火星车系统而言，深空是一个具有挑战性的环境，特别是由于几乎所有任务都会遇到强辐射环境，对于产品开发而言，最大的挑战不一定是集成电路的一般性能，而是在辐射环境中满足这种性能。”
IR HiRel（已被英飞凌收购）和Intersil（已被Renesas收购）都在为NASA的漫游车项目提供器件。两家公司的辐射加固集成电路都搭载在“毅力号”漫游车上。此外，与漫游车一起搭车前往火星Jezero Crater着陆点的，还有一架“独创号”自主直升机，NASA计划对其进行飞行测试。预计漫游车将于2021年2月到达着陆点。
IR HiRel的高级副总裁兼总经理Eric Toulouse表示，高轨道和深空以及预期的任务寿命都需要最高水平的辐射加固。空间应用要求高可靠功率器件能在最恶劣的环境下工作，必须经受住恶劣的热、机械和辐射条件。
解决方案
Toulouse说，提供具有最高水平辐射加固的抗辐射器件的唯一方法是优化工艺的每一个步骤，从硅片本身的组成开始。“这不仅是要确保使用最好的工艺，还要确保每次都能在这些器件的制造上达到最佳点，因此对规格的变化容忍度非常小。”
Toulouse说，测试范围也很广，其中包括对器件进行极端温度的压力测试，以及在全工作模式下长时间运行器件。“当我们完成后，我们认为这批产品已经足够好了，因为它符合那些严格的标准，我们会回去再做一次。”
更严峻挑战
更高效率、更小尺寸和更高集成度的发展需求也为深空应用带来更多挑战。
Broline说：“我们一直在通过推进集成电路多功能化、高集成度、小尺寸和高功率效率来实现创新，这为辐射环境下的最佳性能和功能带来了新的挑战。”即使是在选择关键工艺技术、应用成熟布局和设计技术，对集成电路进行辐射测试等步骤选择最佳做法也是如此。“这是利用新的工艺技术尺寸/节点、更低或更高电压工艺级器件，以及新的电路拓扑结构来推动创新。对于某个产品开发来说，最大的挑战不一定是集成电路的一般性能，而是在辐射环境中满足该性能。”
Toulouse也认为，对于空间应用来说，挑战更是如此。“请记住，在空间发射探测器或卫星的部分成本与设备的重量有关，每磅（每公斤）的实际成本非常高，并因为预期发射轨道而不同。因此，减轻重量的压力很大，减小尺寸亦如此。通常情况下，人们试图解决这些重量和尺寸问题的方式与提高能源效率有关，特别是在动力系统中。”寻求更高效率和更小尺寸亦如此，空间和重量的节省可获得更大的能力，如果是商业卫星，还可以改善收入。
应对方案
但不能把效率的讨论局限在功率半导体部分，还有更多的内容。“当我们对几百瓦的大型转换器做预算分析时，会发现损失当然发生在功率开关、硅或氮化镓中，但在其他地方也有损失，如在基板、一些无源元件（电阻率不是零）、磁体（使用隔离型架构）中。最后，我们需要找到一种方法来优化整个系统。”要讨论效率，就涉及到该功率转换器内的所有子组件。“我们试图从系统总效率角度来谈，而不仅仅是一个组件能做什么。”
Toulouse表示，IR HiRel提供垂直整合，使他们能够构建“整体应用”。除了开发器件和集成电路，该公司还设计了所谓的“混合体”，将更多的无源器件引入其中，以及完整的PCB电源系统。该公司提供标准、半定制和定制设计支持。“我们从做这个开发中学到了很多东西，什么是最好的权衡，还有什么是可以与我们的半导体结合使用的最佳组件。所以对于一个整体的解决方案来说，你最终要从效率的角度获得最好的性能，同时保证可靠性。”
Toulouse认为，围绕氮化镓和碳化硅技术的“炒作”有充分理由，但基于硅的辐射加固MOSFET仍然有很大创新空间，这也实现了低风险的升级。他表示，IR HiRel将在11月底发布一款新的辐射加固MOSFET，将“为整体系统效率带来了令人难以置信的改善，以至于提高了整个行业展现卓越效率水平的门槛。”
在漫游车上的应用
IR HiRel已是第五次为火星车提供电力电子器件，已为多个火星车子系统提供了数千个任务关键的辐射加固器件，包括宇航级MOSFET、集成电路和其他电源控制产品。这些系统包括飞行计算机、电机控制、雷达、机械臂和任务仪器套件，如包括Mastcam-Z（一种桅杆式高清摄像机，具有全景、立体和变焦功能）、SuperCam（一种摄像机、激光器和光谱仪）、X射线岩石化学行星仪器（PIXL）、用拉曼和荧光扫描有机物和化学品的宜居环境（SHERLOC又称紫外光谱仪）、以及火星氧气原位资源利用实验（MOXIE），一种氧气生产仪器。
Renesas的Intersil 辐射加固集成电路被部署在“毅力号”漫游车及其七个仪器中，包括稳压器和基准、同步降压和LDO稳压器、PWM控制器、MOSFET驱动器、16通道多路复用器、SPST开关、RS-422线路发射器和接收器以及微处理器监控电路。这些集成电路支持电源管理和分配、惯性测量单元、精密数据处理和处理、导航和飞行进入、下降和着陆控制等任务关键型应用的子系统。“独创号”火星直升机上也有5个Renesas Intersil品牌的集成电路，包括两个RS-422接口产品、电压基准、线性调节器和一个监视IC。
“独创”号火星直升机
“独创号”火星直升机是一架4磅（2公斤）重的直升机，由专门设计的器件和商用现货部件器件设计而成。它在"毅力号"火星车的机腹中行驶，由火星车的电源充电。待部署在火星上，直升机的太阳能电池板将为电池提供电力。该直升机是一项技术演示，也是第一架尝试在另一个星球上进行控制飞行的飞机。火星上的飞行挑战包括：大气层稀薄，难以获得足够的升力，以及低至零下130华氏度（-90℃）的极度寒冷。极端的温度也将挑战直升机上许多器件的可靠性，包括太阳能电池、电池和其他部件。
当火星车降落在火星表面时，NASA将释放直升机，并对其进行测试，测试距离为980英尺，离地10至15英尺，最长时间为90秒。如果测试成功，将有助于工程师为下一次火星任务制造下一代直升机。