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“经考验证明是好的”是决心研究火星的军事和航空航天组织发出的战斗口号。虽然新兴技术可以促进这一进程，但具有良好使用记录的传统器件仍然是能够承受突发事件、强烈辐射和火星恶劣条件的系统的最佳前进方向。 通往火星的崎岖之路 根据美国国家航空航天局（NASA）的说法，前往火星并不是一件轻松的事情，在前往火星的10次任务中，只有4次被认为是成功的。美国美高森美公司的空间和航空营销总监Ken O'Neill说：“首先，在火星之旅中会受到辐射，引导航天器的航空电子设备和飞行控制系统必须能够在从地球到火星的飞行中存活下来，然后一旦在环绕火星的轨道上，周围会有一个磁场，这种行为就像地球一样。航天器会不断接受大量的比地球上更加苛刻的辐射。辐射总是一个问题。” 火星的稀薄大气（仅占地球大气的百分之一）以及高剂量的辐射使到达火星的目标变得困难。只有美国发起了一次在火星着陆后幸存下来的任务。自1965年以来，NASA已经在火星表面飞过、环绕火星飞行、着陆火星和漫游火星。 2018年5月5日，NASA发射了“洞察力”（InSight）任务，该任务计划在美国东部时间11月26日下午3点之前，在火星着陆。“洞察力”的设计基于“凤凰号”（Phoenix）太空船，也是由洛克希德·马丁空间公司建造的，“凤凰号”太空船于2008年在火星北极区成功降落。 上图展示了NASA的“洞察力”着陆器即将登陆火星表面的模拟景象，这张图显示了宇宙飞船的底部。图片来源:NASA喷气推进实验室。 太空探索需要抵抗高剂量辐射和单粒子效应（SEE）的双重打击。美国微芯科技公司航空航天与国防产品部产品和业务开发经理Eli Kawam举了这样一个例子：“想象一把在阳光下的沙滩伞。如果它在太阳下停留足够长时间，它会因太阳的影响而变灰，该老化相当于电离总剂量（TID）。单粒子效应可能像一场冰雹风暴袭击沙滩伞——可以将其想象为微小的冰雹粒子高速撞击沙滩伞。你可以屏蔽TID但是无法屏蔽系统免受暴风雨的影响，因此你必须设计出能够承受这种影响的设备。” 传统的抗辐射元器件依然是主流选择 抗辐射的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）具有耐受辐射的良好记录。主要生产MOSFET和集成电路的德国英飞凌科技公司高可靠事业部的技术营销总监Odile Ronat表示：“今天关于火星辐射环境的知识基础非常好，以火星探测漫游者为例，其电子设备已经存活了14年，我们仍在生产那些能够更好地承受辐射环境的产品或产品版本。这就是为什么这个行业如此依赖传统产品。” Ronat补充指出：“英飞凌公司的高可靠性产品的TID或伽马辐照剂量率为50-200 RAD（Si）/s，标称值为100 RAD（Si）/s。但是，有些产品经测试高达300 RAD（Si）/s。” 同时，美高森美公司表示，该公司的RTG4现场可编程门阵列（FPGA）可以承受的TID超过100 krad，且不会降低传播延迟或丧失功能。该公司的高速信号处理抗辐射FPGA已获得美国国防后勤局（DLA）的合格制造商目录（QML）V级认证。 上图为美高森美公司的RTG4抗辐射FPGA 太空计划的工作复杂 Ronat指出：“可靠性是太空计划的一个关键标准，它是根据各种因素综合来衡量的，包括老化、温度、辐射以及这三者的结合。这是一项非常细致的工作，这就是太空计划耗时长的原因——因为你必须研究和分析所有这些影响。” 封装与器件本身一样重要 当涉及到抗辐射时，元器件的封装方式与元器件本身一样重要。美国TT电子公司的电力电子技术销售经理Robert Coleman指出：“如果你能给器件加个盖子，如果辐射通过较厚的侧壁进入，它会掠过器件表面，并可能造成更小的损坏。” 例如，TT电子公司曾与客户合作，在封装上增加一个钛盖，以在器件级别添加辐射屏蔽。Coleman补充道：“器件顶部的重金属盖子屏蔽了器件，但如果它们粘附在自己的盖子或屏蔽层上，它们就会在产品上使用可追溯性。通常情况下，我们的任务是寻找能够满足需求的芯片。如果需要器件屏蔽，那就是与客户进行协商，试图共同解决问题。” 设计的核心是确保自身或冗余器件和技术的存活 太空计划的性质使设计过程中的系统冗余标准化。但是，它并非是万无一失的。Coleman指出：“太空中的冗余系统被认为更为关键，但如果系统受到辐射损伤，例如离子风暴，那么冗余通道也有可能被损坏。” 相反，Coleman补充说：“太空探索的设计以这样一种方式配置元器件和技术，以确保一方或另一方能够在辐射事件中幸存下来。” 新兴技术有潜力，但美NASA和军方尚未建立标准 正在进行的研究正试图确定新的可用于太空的技术。例如，碳化硅（SiC）器件显示出良好的前景，尽管目前的产品仅提供了所需抗辐射指标的一半。 与此同时，这是一个不断增长的市场。据美国联合市场研究公司（Allied Market Research）称，全球碳化硅功率半导体市场在2017年获得3.02亿美元，预计到2025年将达到11.09亿美元，从2018年到2025年的复合年增长率（CAGR）为18.1％。报告称，虽然目前碳化硅功率半导体主要用于汽车和工业应用，但航空航天和国防部门仍然是其中的一部分。 从更远来展望，氮化镓（GaN）有望成为功率电子产品的一个选择。这种在20世纪80年代首次发现的晶体型半导体化合物目前用于消费电子产品，如DVD阅读器中的激光二极管。该技术的电阻较小，因此只损失一小部分能量。据NASA称，GaN可以处理10倍于硅的电流，从而实现更小、更快、更高效的器件。它能够承受更宽的温度范围，能够抗辐射，而且发现它擅长探测高能粒子。 但是，该技术还没有为空间应用做好准备。报告称，尽管预计GaN可以抵抗太空中遇到的许多类型的辐射损伤，但无论是NASA还是美国军方都没有建立标准来表征这些晶体管器件在暴露于太空极端辐射环境时的性能。 此外，GaN技术的绝对速度使得产品难以设计到系统中。Kawam指出：“砷化镓已经存在了很长一段时间，它本质上是一种高迁移率材料，并且材料具有天然的抗辐射性。乍一看，我们客户的所有产品开发团队都很兴奋，但实际情况是，这些器件的速度如此之高，影响了整个系统的设计。”
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