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天的航天技术革命，涵盖从长期运行在恶劣环境的军事航天应用到商业航天电信和互联网接入，正在推动能够耐受不同辐射水平的电子器件的新趋势。

辐射加固和耐辐射电子产品的设计或加严筛选可以承受伽马射线和宇宙射线等电离辐射的影响，这些电离辐射可以破坏或损坏电子电路。这些组件不仅对在轨航天器至关重要，对空间探索、核电站和粒子加速器也至关重要。

电子器件的辐射加固和耐辐射通常分为几个不同的层级，通过屏蔽、冗余、通过设计实现辐射加固组件以及测试和加严筛选来实现目标。

由铅、钨或其他重金属等材料制成的屏蔽可以保护敏感器件免受辐射，而冗余系统和电路通常被内置到辐射加固电子器件中，以确保即使系统的某些部分遭受辐射破坏或损坏，也能继续运行。

一些航天应用，特别是那些在高地球轨道上执行长时间军事任务的应用，需要专门制造的部件，以抵辐射加固引起的损伤。与商业级组件相比，这可能涉及不同的材料或设计，其设计可能耗时且非常昂贵。由于涉及到专业设计、制造和材料，加固设计电子器件通常比商业级器件更昂贵。

当今辐射加固和耐辐射应用的最大部分涉及所谓的“新航天”，也就是电话服务、互联网接入、视频流数据和复杂传感器应用的商业应用。这些服务通常来自由多个航天器组成的商业卫星星座，这些航天器通常预计只能在太空中存活很短的时间，比如5年。

新航天应用带来了巨大的辐射加固设计挑战，因为它们对成本极其敏感，因此需要针对其特定轨道和预期寿命进行适量的辐射加固。能力过剩会增加成本，但辐射加固能力不足会带来意想不到的在轨故障风险，将不得不进行额外的火箭发射来提供替换失效的航天器。

在新航天应用中总是存在风险，需要维持在辐照加固组件、升级的商用货架产品(COTS)和纯商业级部件之间的微妙平衡。

“我们需要满足规格，但不能过分，”辐照加固组件供应商3D Plus在法国Buc的首席执行官timoth达格尼斯说。达格尼斯说:“我们保持了客户需要的辐射水平，但我们带来了更多的能力，以帮助与纯COTS竞争，用于寿命为三到四年的航天应用。”

达格尼斯说，3D Plus涵盖了辐射加固电子市场的整个领域，但由于纯cots电子器件的新航天竞争，这项工作并没有变得更容易。“我们看到来自COTS市场的竞争越来越大，从新航天到商业，再到军事应用。”

这个问题通常来自于市场上缺乏可用的耐辐射部件，这可能迫使航天器设计师使用纯cots。达格尼斯说:“由于传感器和工艺的原因，设计师找不到符合他们要求的纯辐射加固器件，所以他们使用商业级器件。”“与纯粹的COTS竞争越来越难了。”

作为回应，3D Plus寻求增加纯COTS部件无法提供的价值。他说:“我们可以把所有东西都封装在一个更小的壳子里。”“我们正在构建组件，以加入更多的功能和能力，未来我们将推出新产品，这些产品从外部看很容易使用，但从内部看很复杂，它能为我们的客户带来更多的功能和能力。”

为新航天设计的电子部件与纯COTS组件之间的差异是德克萨斯州普莱诺的Apogee半导体公司最初进入太空市场的原因。Apogee半导体公司首席营收官安东·奎罗兹(Anton Quiroz)表示:“我们在2017年开始涉足新航天市场。”“我们看到了商用半导体和辐射加固半导体在价格和性能上的巨大差距。”

奎罗兹说，新航天的风险还包括愿意冒险遭受潜在的灾难性辐射引发的事件，这种事件不太可能发生，比如来自遥远恒星的宇宙射线撞击。

奎罗兹指出，即使是所谓的廉价的短寿命立方体卫星，也有从恒星进入地球轨道时受到宇宙射线撞击的风险。“新航天也有来自恒星的银河宇宙射线，”他说。“它们更重，我认为它们就像狙击枪;在太空中，这可能是一个概率事件。你在太空中走得越远，发生这种情况的可能性就越大。”

一种为航天应用指定商业开发的电子器件的方法是对器件逐批进行升级筛选，以证明它们能在给定的时间内承受空间辐射。目前已有几个公共和私人测试实验室可以模拟商业部件在太空中会遇到的各种环境。在对单事件效应进行筛选时，部件设计者通常依赖三个实验室:德克萨斯州大学城的德克萨斯A&M大学回旋加速器研究所，加利福尼亚州伯克利的劳伦斯伯克利国家实验室，以及密歇根州东兰辛密歇根州立大学的国家超导回旋加速器实验室。

在这些设施中，技术人员以客户选择最接近地模拟其预期空间环境的速率展示带有重离子粒子的半导体。远地点的奎罗兹说:“根据器件的不同，你可以选择你想要击中的任何元素，以及你想要寻找的能量水平。”“他们轰击这些器件，以确保没有异常事件发生。”其他公共和私人实验室也可以进行总电离剂量的筛选测试，以及暴露于中子位移损伤的测试。

就在几年前，航天电子系统设计师还流行尽可能频繁地使用纯cots部件，并承诺随时可以获得航天器替代品。然而，在经历了一些糟糕的经历后，一些航天器设计师开始重新思考他们最初的假设。

我们开始注意到人们正在考虑为低地球轨道(LEO)设计更强的辐射加固能力，”远地点的奎罗兹说。LEO变得如此拥挤，而中地球轨道(MEO)的辐射环境更为恶劣。这导致人们使用更耐辐射的部件，而不是纯粹的商业和做一些测试。”

即使是短寿命立方体卫星的设计师也在重新考虑辐射加固部件。奎罗兹说:“即使是那些开始建造商业立方体卫星的公司，他们也受到了更高辐射水平的质疑。”“他们正试图弄清楚如何让这些卫星更能抵御辐射。”

奎罗兹说，最近的趋势也表明，美国的大部分航天电子部件都是在美国境外制造的，但这种情况可能开始改变。“在过去的十年里，半导体行业出现了大量的离岸外包，但现在我们正试图将一些外包回来。我们迫切需要美国的塑料包装器件，因为其中大部分已经运往海外，特别是中国。已经有一些政府要求将包装带回来，但这是在先进包装的保护伞下。我们不知道如何在美国有效地做到这一点。”

辐射加固电子专家正在推出几种新产品，以应对当前的太空市场趋势。3D Plus提供空间级系统模块和高容量传感器，将不同的电子部件集成到一个封装中，如固态存储器、传感器、现场可编程门阵列(fpga)、分立电源和模拟部件。

该公司还开始提供公司官方称为配套部件的组件。这些是基于SRAM的强大fpga，也需要电路来减轻SRAM单元中的辐射效应。Dargnies说，配套芯片可以安装在FPGA旁边，以提供客户所需的功能。

“我们正在从组件供应商转变为功能和系统提供商，将没人愿意处理的子功能作为功能来处理。客户总是需要更多的计算性能、容量、密度和辐射性能，”Dargnies说。

Apogee Semiconductor正在帮助航天系统设计师将COTS电子器件与一些辐射加固部件混合在一个名为RelBridge的部件家族中，用于高可靠的系统。奎罗兹说:“我们的想法是为客户在一个更强大的系统中使用更少的辐射加固部件之间提供一个桥梁。”

奎罗兹说:“你可以去掉关键部件，比如监视计时器，它是卫星的故障保护装置。我们为那些在成本和可靠性之间走钢丝的客户开发了一个独立的容错机。”你有三个微控制器执行相同的功能，在对卫星做一些关键的事情之前，三个中有两个必须同意。否则，你信任哪个组件来做仲裁或投票呢?我们有一个单事件免疫容错机，这是处理三模冗余的更具成本效益的方式，其成本低于辐照加固微控制器。”

今年春天，美国军事研究人员选择了诺斯罗普·格鲁曼公司位于加利福尼亚州雷东多海滩的航空航天部门和加利福尼亚州圣莫尼卡的RadiaBeam技术有限责任公司，来开发高可靠性下一代电子器件的辐射引起的单事件效应(SEE)的新测试方法。

4月，诺斯罗普·格鲁曼公司赢得了1810万美元的合同，RadiaBeam公司赢得了美国国防高级研究计划局(DARPA)的单事件效应辐射先进源测试(ASSERT)项目的1060万美元合同。该ASSERT项目为期4.5年，旨在开发3D异构集成(3DHI)电子器件和电路SEE测试的新能力。并改造当今的辐射加固电子设计流程，使下一代电子器件能够快速部署到太空和核战争应用中。

诺斯罗普·格鲁曼公司和RadiaBeam的目标包括产生穿透深度达5毫米的高能粒子，在硅中具有高辐射相关的线性能量转移，光束直径小于0.2微米。诺斯罗普·格鲁曼公司和RadiaBeam公司的工程师将承担3DHI辐射加固技术的一个ASSERT项目技术领域，该技术解决了两个技术挑战:通过空间辐射线性能量转移在3DHI组件中穿透深度深;以及具有精细空间分辨率的充电轨迹。提案必须应对这两项技术挑战。

辐射效应从三个主要的自然来源威胁电子系统:银河宇宙射线;被行星磁场捕获的带电粒子;以及太阳粒子事件。

新兴的先进电子产品比前几代复杂和集成，并且可以使用3D拓扑和几种材料类型结合数字，模拟和光学功能。3D组件的垂直范围预计将达到几毫米，其复杂性和集成度将使其很难(如果不是不可能的话)解封装和分解成部件，以便使用当前的重离子源进行辐射测试。

集成组件的SEE测试将需要一个辐射源，该辐射源提供多毫米穿透深度、与空间辐射相关的线性能量传递以及精细的空间分辨率和控制，以提供探测敏感区域和隔离故障所需的线性和角度精度。

目前的SEE测试无法同时满足所有这些要求，因此需要新的来源来满足要求在辐射环境中具有高可靠性的核和空间应用的下一代微电子器件。

离子束测试的过程缓慢而费力，而且随着电子器件的日益复杂，问题也越来越严重。因此，ASSERT源必须紧凑且具有成本效益，以便将它们纳入开发过程。

通过这种方式，辐射鉴定将集成在整个设计和制造流程中，ASSERT源提供了快速识别辐射设计缺陷并促进快速纠正和设计优化的手段。一个关键的项目目标是将从设计到获得合格的辐射加固器件的时间减少10倍。DARPA的研究人员对短脉冲相对性电子束和超短脉冲x射线等技术尤其感兴趣。

去年秋天，位于新墨西哥州科特兰空军基地的美国空军研究实验室空间运载工具指挥部的航天器专家宣布与位于加利福尼亚州圣何塞的西部数据公司签订了一份价值3500万美元的下一代辐射加固非易失性存储芯片(ANGSTRM)项目合同，作为先进下一代战略辐射加固存储器的一部分。

ANGSTRM寻求通过使用先进的封装和辐射加固技术以及最先进的商业技术，为空间和战略系统开发一种具有接近商业最先进性能的战略级辐射加固非易失性存储器件。代表美国太空部队授予该合同的空军研究实验室的研究人员表示，推进战略级辐射加固非易失性存储器技术对于支持战略导弹、导弹防御和军事空间系统至关重要。非易失性存储器件即使在断电时也能保留其数据。

理想情况下，军方将能够获得具有商业最先进器件性能和密度的非易失性存储器;不幸的是，当今的商业技术无法制造出能承受军方部署系统的辐射和热环境的电子器件。此外，许多军事系统必须使用值得信赖的美国国产电子器件。

美国太空军研究人员有兴趣将辐射加固与最先进的CMOS和存储技术相结合，以扩展密度超出单个芯片的水平，并创建合格的战略级辐射加固非易失性存储器，用于军事航天和战略系统。

美国空军的研究人员希望西部数据能够开发出单片存储器密度为4至16千兆位、多芯片模块密度为32至128千兆位的辐射加固存储器，这种存储器可以持续使用10至15年而无需刷新。这些存储器件应在不超过10毫瓦的功率下工作，并在-40至125摄氏度的温度下工作，并最终在低到-55摄氏度的温度下工作。

抵御总电离剂量辐射的能力最低不小于300krad(Si)，最高可达1,000krad(Si)，每比特每天的单事件干扰错误少于10至12个。抗单事件闩锁能力应大于72 MeVCm2/mg，抗单事件栅极和介质破裂能力达到72 ~ 100 MeV-Cm2/mg。

最终，ANGSTRM项目寻求开发一个全尺寸原型器件，提供器件特性和辐射测试报告，并提供一个鉴定计划，并提供实现qml标准产品的路径。

去年2月，位于弗吉尼亚州尚蒂伊的美国空间发展局(SDA)发布了一份关于“系统、技术和新兴能力”项目的广泛机构公告(FA240124S0001)，旨在为作战人员开发新型天基光通信、导航、目标跟踪和类似能力。

该项目正在寻找高效超视距数据传输和作战人员通信方面的新使能技术;先进和替代位置、导航和授时(PNT);先进目标监护、警告、跟踪和挫败;以及全球作战管理——其中大部分将需要辐射加固电子器件。

SDA官员要求对与这些能力相关的体系结构、作战概念(CONOPS)、建模和仿真、系统设计、关键技术和降低风险原型开展研究。高效的超视距数据传输和作战人员通信功能，使联合作战系统能够全球访问低延迟通信和空间数据传输。

这些能力涉及小型轻型自由空间光通信终端的使能技术，可在低、中、地球静止轨道运行，并处理空间对空间、空间对空、空间对地、空间对海等应用。特别是，SDA专家正在寻找新兴能力，以提高调制解调器性能，提高数据速率，通过自动化减少光通信终端采集时间，并降低复杂性和制造要求。

感兴趣的支撑技术包括光子集成电路、小型轻量化地面光通信终端、可移动光地面站、以及减轻大气对光链路影响的简单低成本方法。