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技術探索

淺談衛星上半導體電路的輻射測試

工業技術研究院 資訊與通訊研究所 李青峯  楊承瑋

 

SpaceX的Startlink計畫所引爆對衛星產業鏈龐大商機的想像力持續加大國內產官學研各界推動衛星通信技術研究的力道。作為衛星酬載核心的半導體電路在嚴苛的太空輻射環境下為了圓滿完成任務必須克服許多挑戰,而這些挑戰也是台灣半導體及其周邊產業在這一波熱潮下必須認識且了解的一個重要而有趣的議題。

 


作為衛星酬載核心的半導體電路輻射測試是估算衛星任務可靠度與決定衛星成本中眾多因素裡的一個重要環節。

精彩內容

1. 半導體在太空中所遇到的輻射問題
2.半導體元件的輻射測試
3. 輻射測試範例


衛星半導體輻射測試簡介

 

衛星對現代人的生活可謂息息相關。不論是前一陣子全台缺水期間大家所關注的梅雨滯留鋒面,還是即將來到的颱風季颱風動態都有賴來自衛星的資訊。此外,現代人也大都清楚沒有衛星導航會為開車旅行帶來多大的不便。衛星能夠提供的服務非常多,而要有這麼多樣化的數據服務,有一大部分要依靠在衛星裡面運作的積體電路(Integrated Circuits, IC)。IC體積小、重量輕、功能強大,當然在衛星與衛星以及衛星與地面之間的資料傳輸上扮演不可或缺的角色。如同地面上所使用的IC出廠要求一樣,這些IC都須通過熱循環等的可靠度測試,但有別於用於地面上IC的是,衛星上的IC必須承受太空中嚴苛輻射環境的考驗。為了滿足昂貴衛星任務的嚴格可靠度要求,這些選用的IC就還得符合特定規格的輻射耐受度(Radiation Hardness)。如果耐受度不足,其中的電晶體就可能於任務執行階段中出現頻繁的邏輯錯誤,抑或原有功能大幅降低,甚或操作中引發過電流而損毀。

 

半導體晶片在太空任務時所面對的太空輻射問題

衛星軌道高度與太空輻射

 

要測試IC的輻射耐受度之前,要先了解其所在衛星酬載(Payload)的運行軌道高度,因為不同高度的軌道,其環境輻射也就不同。習慣上將軌道依其高度分為3種:同步軌道(Geostationary Orbit, GEO)、中軌道(Medium-Earth Orbit, MEO)與低軌道(Low-Earth Orbit, LEO),而太空中的衛星就依其設定任務的不同運行於這3類不同高度的軌道中。舉例而言,要做氣象雲圖,需使用距地表3.6萬公里的同步軌道衛星,以便能進行連續觀測。而要提供地面定位與導航功能則使用軌道高度8,000公里以上的中軌道衛星。至於低軌道衛星的相關議題則由於最近SpaceX的Startlink計畫而變得火熱。低軌道衛星的高度在2,000公里以下,具有較低訊號時延,較低訊號發射功率等優點。有這樣的認識之後,要做IC的輻射測試時,便了解要依其執行任務其所須運行的軌道高度來設定測試的條件。

探討太空輻射之前,先劃分一下輻射的種類。輻射依其能量之高低大致分為2類:

(1)游離輻射:能量較高,可以使原子產生游離之電磁波或粒子。
(2)非游離輻射:能量較低之電磁波,不會使原子產生游離。而游離輻射依其產生之來源分為天然游離輻射及人造游離輻射2種。

太空輻射屬於天然游離輻射,是原子在太空中以接近光速的速度移動時受游離(電子脫離原子核的束縛)而成。軌道上的太空游離輻射有3種:

(1)被地球磁場捕獲的粒子,而此捕獲區域稱為范艾倫帶;
(2)太陽在耀斑期射向地球的粒子,此情況多數會持續好幾天;
(3)來自銀河宇宙的射線,其中89%的宇宙射線是的質子,10%是氦原子核(即α粒子),還有1%的重離子。

可知,在衛星軌道的輻射環境其實非常複雜。對低軌道而言,已有模擬軟體可根據大量量測數據與物理模型來估算其中不同高度下的電子與質子的輻射通量與強度,很方便來推估衛星所處軌道的輻射環境[1]。先前提到,游離輻射可分為天然游離輻射與人造游離輻射。對半導體輻射測試而言,就是使用人造游離輻射來模擬軌道中的輻射條環境以測試半導體在其中運行時的輻射耐受程度。

 

太空輻射對半導體的影響以及因應對策簡介

 

太空輻射對半導體的影響可分為兩大類:總電離劑量效應(Total Ionized Dose, TID)和單一事件效應(Single Event Effects, SEE)[2]。總電離劑量效應是半導體元件長期暴露於電子和質子所產生的累積效應。當電子和質子輻射被電子元件的絕緣介電層捕捉而於其中產生過量電荷時,會使互補式金氧半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS)元件的操作門檻電壓逐漸改變而造成元件特性的退化。經過足夠時間之後,元件便可能完全失效。

單一事件效應是單個離子穿過敏感的電路區域而導致電路操作失常的一種電子干擾。單一事件效應可能是非破壞性的,也可能具有破壞性,最常見的是:單一事件擾動(Single Event Upset, SEU)和單一事件閂鎖(Single Event Latchup, SEL)。單一事件擾動指的是由於輻射衝擊導致記憶體或暫存器的儲存內容狀態受到改變。單一事件擾動現象很常見,通常不具破壞性。至於單一事件閂鎖則是當一單一高能粒子打到半導體元件時,粒子能量因拉塞福散射(Rutherford Scattering)效應[5]而被傳到半導體晶格,進而將晶格內的電子激發至導帶。此生成的電子-電洞對會產生低阻抗的傳輸寄生路徑,導致元件功能異常。這種現象常引發後續的破壞性,對CMOS元件影響很大。CMOS元件內部有交叉耦合的正回授寄生雙極性接面型電晶體(Bipolar Junction Transistor, BJT)元件對,此寄生電路在正常情況下不會啟動,可是一但有一單一帶電粒子入射而產生瞬態電流,就可能會觸發此正回授機制而使元件的電源與接地間產生大電流並進而造成不可修復的傷害。

認識這些影響機制後,以下說明幾種防護的方法。最簡單的方法是屏蔽。屏蔽會增加衛星酬載的重量,一般是最後考慮的手段。除了用屏蔽降低游離輻射的能量之外,採用先進製程減低介電層的補獲能力,或者使用寬能隙半導體都能增加半導體元件的輻射耐受度。

除此之外,也可以利用電路邏輯操作來增加半導體電路在衛星任務中的可靠度。例如,面對SEU問題,可採用錯誤檢測並配合模組重啟來處理。再者,由於SEU本身的機率本質,於是可設計具多數決投票機制(voting mechanism)的邏輯電路, 例如三重模組冗餘(Triple Modulo Redundancy, TMR),來提升輻射環境下邏輯運算的可信度,而其代價是需使用較多邏輯閘數。對於SEL 問題,則可以設計過電流檢測電路配合電源重啟來解決。當然,備援機制是衛星任務須考慮使用的,因為當上述手法一時都無法將問題排除時,使用備品便是必須的。

 

半導體元件的輻射測試

 

前面提到,可以利用人造游離輻射來進行半導體輻射測試。如上一節所介紹的,我們須對半導體元件在太空任務中會面臨的TID與SEE問題做模擬檢測。由於輻射強度所可能引發的效應不同,做TID測試與SEE測試所採用的輻射源強度也應不同。在低軌道衛星任務中,考慮使用年限與可靠度,這些IC需要通過10k~20k rad以上的TID測試並使用約200MeV的質子輻射強度[5]。在測試場域方面時,考慮到合適的輻射量累積時間,目前國內清華大學CO-60照射場是適合執行半導體元件TID效應測試的實驗室,其測試場地如圖1所示,而其特色是使用各向同性(isotropic)的輻射源(CO-60 經 ϐ衰變產生輻射能量為1.17MeV 與1.33MeV的γ射線),所以測試平台可以同時承載許多待測物件。另外,調整待測物件到中心輻射源的距離便能控制待測物的累積輻射劑量。


圖1 資通所團隊於2020年太空計畫期間在清大照射場執行TID測試前現場設定

要執行SEE效應的測試時,採用聚焦質子束來測試是很適合的選擇,因為它有足夠的穿透力,且測試費用也低於採用重離子的測試設備。目前行政院核研所與長庚醫院的聚焦質子束實驗室都能提供半導體的SEE測試(輻射能量分別約為30MeV及200MeV)。圖2則是質子束測試前的雷射聚焦校正。


圖2 資通所團隊於2020年太空計畫期間在清大照射場執行TID測試前現場設定

 

輻射測示範例

 

國際IC設計大廠在太空應用領域早有布局,因而也早有不少符合太空輻射耐受規格的IC見市,然而這些太空規IC不僅造價特別高昂,有的甚為管制品。在這樣的現實情況下,有效利用輻射測試來找出適合所需衛星任務的商用IC現貨便是提升衛星技術競爭力的方法之一。秉此原則,工研院資通所在2020年度的衛星計畫中頻應用分項便對常見的高整合度寬頻收發器AD9361進行SEE輻射測試。在經過約1.5小時測試(共約累積12krad 的總輻射劑量)過程中,共發生10次可回復性的SEL,其中一次紀錄的起因是本地振盪(Local Oscillator, LO)頻率設定暫存器發生錯誤引發的LO頻率偏移所造成,如圖3所示。由測試結果可知,如果順利配合偵錯電路與模組重啟機制,便可使用商規半導體元件來滿足特定的衛星任務要求。


圖3 測試時所發生的一次SEU-本地振盪頻率飄移

 

結論

 

半導體的輻射測試是估算衛星任務可靠度與決定衛星成本中眾多因素裡的一個重要環節。工研院資通所在2020年度所執行的太空計畫中,針對酬載衛星裡所需的電源轉換IC、數位邏輯IC、類比IC以及射頻IC等都做了一系列詳細的輻射測試並累積了豐富的資料與經驗,而這也為未來國內衛星技術競爭力的提升跨出了第一步。

 

參考文獻

 

[1] J. Budroweit and M. Sznajder, “Total ionizing dose effects on a highly integrated RF transceiver for small satellite radio applications in low earth orbit,“ 2018 IEEE International Symposium on the Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits (IPFA), 2018, pp. 1-6
[2] J. Budroweit, M. P. Jaksch, and M. Sznajder, “Proton Induced Single Event Effect Characterization on a Highly Integrated RF-Transceiver,“ Radiation Tolerant electronics, pp. 33-52, 2019.
[3] J. Budroweit, “Design of a highly integrated and reliable SDR platform for multiple RF applications on spacecrafts,“ GLOBECOM 2017 - 2017 IEEE Global Communications Conference, 2017, pp. 1-6
[4] Matthew Joplin, “A method for characterization of single-event latchup in CMOS technologies as a function of geometric variation,” M. Eng. thesis, Univ. of Tennessee, Aug, 2018.
[5] Chih-hsun Lin “Proton Radiation Test,” Space Radiation Lessons, ICL/ITRI, 21,Otc. 2020
[6] 吳元熙, “史上最大低軌衛星競賽開跑,台灣能搶下太空商機嗎?” 數位時代,Jun,10,2021