超越太空科学的范畴：高抗干扰的电子设计要求 - 全文

　　自有生民之初，人类对于太空便深为着迷。在任何时代，星光点点的天空总是令人引发无限的想像力。科学小说在文学作品与娱乐媒体中相当流行。太空旅行和探险一直是所有时代热门的话题，并且是国际纷争、主权彰显、国力与国防安全的课题。美国将太空人送上月球距今已有40年的时间。如此惊人的壮举在人类歷史上具有无与伦比的意义。

　　其他国家也积极计划登陆月球，準备迎头赶上美国，其中以中国与印度最为积极，不过，登陆月球需要相当大的投资，是相当艰鉅的壮举。NASA计划明年将太空梭除役，而战神一号运载火箭至少必须等到2014年才能建造完成。这使得冷战时期美俄太空竞赛中，积极发展的美国无法再将太空人送上太空，而必须借用俄罗斯苏式火箭（Russian Soyuz rocket）。

　　大多数人都曾经听过星舰迷航记（Star Trek）的寇克舰长的名言：「太空是等待我们开拓的终极边疆！」太空旅行是科幻小说爱好者的梦想，不过，对于在太空产业工作的人而言，太空也是人类与电子产品难以挑战的极限。没有经过长期大量的投入，没有人或装置能够长久待在太空中。

　　大家可能会很讶异，太阳是一个持续运转、自我维持的核反应星体，向地球排放的大量能源与致命的辐射，所幸，地球的磁场能够保护我们，阻绝其中大部份的辐射，使外来的辐射就像是河流之中流经石头的水一般。只要观看北极光，就能够约略瞭解如此的辐射是什么景况，由于地球两极的磁场较弱，因此外来的辐射使大气层离子化。请见图1。

　　地球的大气层能够阻絶外来的辐射，所造成的影响有好有坏，好的影响是外来的辐射不断重建地球的臭氧层，保护人类不接触太阳的紫外线（UV）辐射，不过，外来的辐射也会产生具破坏力的地面中子，在人体衰老的过程中，这些地面中子会造成细胞随着时间的推移而损伤。

　　在地面或海面上，暴露于地面中子的比例约为每平方公司10个中子，这些中子会造成电子产品的电路或逻辑不稳定。中子进入半导体晶片时，与其他塬子碰撞后会释放少量的能量，导致塬子大小的核分裂，产生足以干扰积体电路的能量。记忆体系统或高复杂度IC的使用者相当关注这方面的干扰。例如，许多电脑当机的真正元兇并不一定是Microsoft，而可能是其中一个积体电路中重要的电路节点发生中子撞击所造成的反应所致。图2所示即为这方面的说明。

　　在40，000英呎飞行的商用客机所接触的地面中子辐射量，是地面的300倍，因此，飞机的航空电子系统必须能够承受如此高的辐射量。对于一般人经常搭乘飞机能够承受多少辐射量，现在仍是争议不断。随着半导体的尺寸缩小，使电路不受这些影响所干扰的任务显得更加艰鉅。现今复杂的数位系统较易受到中子撞击所影响，因此一般都会採取错误修正或备援等缓解措施。

　　不同于人类生存的环境，太空是相当危险的。太阳风暴会释放大量致命的质子和电子，伤害人体的速度或快或慢，完全取决于太阳风暴的强度而定。在阿波罗号太空人的12天任务中，很幸运并未遭遇太阳风暴。这些来自太空辐射环境的质子和重离子，也会接触低空地球轨道（low earth orbiting; LEO）太空船及卫星。电子、质子与重离子对于对地静止轨道（geostationary orbiting， GEO）卫星有相当大的影响。在为期10至15年的任务过程中，卫星会接触大量辐射。即使加强防护措施，卫星仍会接触足以在几个月内使人致死的辐射量。

　　人体能够承受的辐射量约为450rad以下。rad是一种计量单位，用于计算材料吸收的辐射量，以每公克材料100ergs（g•cm²/s²）为基準。一般而言，太空应用的积体电路可以在任务过程中承受10，000至100，000rad以上。防护只能达到有限程度的效果，防护达到某个程度之后，便不再有效。

　　由于二次反应，铝材质厚度达到300mil之后，增加的额外防护材料便无甚作用。牛顿的撞击球所呈现的正是如此的现象，一颗球撞击一排球之后，撞击力会使得这一排球的最后一颗球弹起。请见图3。

　　外来的辐射也会造成类似的反应。宇宙射线中高能量的电子撞击防护材料后，会造成二次辐射效应，能量从防护材料的另一面释出时，便会造成损害。电子产品製造商必须设计能够在如此受干扰的严苛环境中运作的系统。许多设计技术及特殊半导体製程，可用于确保电路在太空中长时间稳定运作。

　　日常生活中，不论是国际通讯、音乐、DTV、GPS、气象资料蒐集、保全或国防安全，现在比起以往更加仰赖卫星系统。

　　太空方面的电子内容日益增多，现在有数千颗卫星在天空，其中大多数都已经变成太空垃圾。卫星系统变得愈来愈精密，与过去结构单纯的系统完全不可同日而语。大多数人不清楚太空中有多少颗卫星，不过，只要透过网际网路连上Google地球。

　　设计能够承受许多辐射效应的电路极其必要，对于太空航空应用，以及现今的医疗应用更是如此。诊断及安全设备愈来愈仰赖耐辐射的晶片。现今的牙科医疗X光及CT扫描仪诊断设备，一般均使用电子成像与资料转换晶片，而非使用晶片进行摄影。这些设备能够以近乎即时的速度产生影像，完全不需要等候技术人员冲洗胶片，才能决定拍摄的影像是否正确。随着时间累积的辐射效应会对设备造成影响，例如机场中持续使用的 X 光检查设备即是如此。

　　太空应用中的电力电子产品对于很容易受重离子所影响，尤其是高电压电子产品。重离子穿透半导体材质时，会使电荷累积，而形成小型暂时传导路径，这就如同一个小闪电一般，一旦小型暂时传导路径形成，就会从正极高电压电源接地释放高电流。在许多情况下，这会穿透介电，而使得许多电源半导体装置，发生闸极穿通效应及开路。电源元件製造商一般会将装置的一般安全运作供电电压降低 20% 至 50%，以避免如此的问题发生。

　　TI的高可靠性（HiRel）产品部门是耐辐射半导体的主要供应单位。开发与测试电路时，均对于医疗、航空及太空应用的电子系统有害的各种辐射效应加以防範。卫星发射升空完成部署后，如果发生问题，无法对卫星进行维修。即使卫星有备援系统，效果也相当有限。

　　测试太空应用的元件相当不容易。首先，地面的测试机组由于本身的机械能源限制，无法重现太空中所遭受的确切效应。另外，无法长年测试元件是否适合太空中使用。因此，通常使用加速测试技术。

　　加速测试技术尝试重现元件在10至15年太空任务中，可能承受的低剂量辐射所造成的效应。太空应用的这些技术有时令人毫无头绪。在某些情况下，同一个元件在低剂量率下会产生非预期的结果，而在高剂量率下却一切正常，这就是所谓的增强低剂量率灵敏度（enhanced low-dose rate sensitivity; ELDRS）问题，这个问题一直是现今许多辐射会议与标準会商的讨论主题。

　　在高辐射环境中电路效率的影响方面，电路技术也相当重要。CMOS、双极、GaAs、SiGe 及其他製程技术在不同的辐射效应下的运作互有优劣。对于各种效应可达到高耐受度的高可靠性产品而言，瞭解这些技术的运作至关重要。如果无法实际测量某些条件，仅能透过统计数据及有限的资料进行预测。

　　由于测试机组能够产生的粒子能量类型相当有限，因此必须瞭解产品运作的环境，并且必须确保电路稳定，并且能够承受具体的特定效应。在必须稳定的系统中使用 HiRel产品有助于降低系统失效的风险。为了降低成本而製作不确实，会危及数百万美元的太空或航空硬体。总归一句话，这确实超越太空科学的範畴。