Bei der Entwicklung von Bilddatenpaketen mit ausreichender Auflösung für die Anforderungen von Satellitenbetreibern stoßen Entwickler jedoch immer wieder auf das Problem der begrenzten Downlink-Bandbreite. Für Bildgebungssatelliten in niedriger Erdumlaufbahn (LEO), die Daten im Gigabyte-Bereich pro Sekunde erzeugen und die Erde etwa 16 Mal täglich umkreisen, ist es unpraktisch, einen kontinuierlichen Datenstrom über ein Weltraumrelaisnetzwerk zur Erde zu senden. Bisher wurden Bilddaten komprimiert und an Bord des Satelliten gespeichert. Eine effizientere Nutzung des Datenrelaisnetzwerks, das die Verbindung zur Bodenstation herstellt, lässt sich jedoch erreichen, indem die Datenverarbeitung an Bord der Satelliten intensiviert wird, sodass die Informationen direkt zur Erde übertragen werden können, anstatt als Rohdaten zu verbleiben. Dies hat zu einem explosionsartigen Anstieg der Nachfrage nach Komponenten geführt, die die erforderlichen hohen Datenverarbeitungsraten erreichen und gleichzeitig strenge Anforderungen an die Strahlungsbeständigkeit erfüllen.
Fortschritte in der künstlichen Intelligenz und im maschinellen Lernen (KI/ML) eröffnen vielversprechende Möglichkeiten zur Optimierung der Downlink-Bandbreite. Beispielsweise können Bilder ohne relevante Daten eliminiert werden (z. B. wären Bilder, bei denen der Boden durch dichte Wolken verdeckt ist, auf einem Satelliten zur Landnutzungsüberwachung nutzlos; oder Bilder, bei denen keine Schiffe zu sehen sind, auf einem Satelliten zur Schiffsüberwachung). Darüber hinaus ermöglicht KI/ML die Automatisierung von Entscheidungen an Bord und reduziert oder eliminiert so die menschliche Analyse, die die Bilddatenbereitstellung um Tage oder Wochen verzögern kann.
Angesichts der sich stetig weiterentwickelnden Anforderungen an Weltraummissionen besteht ein klarer und kontinuierlicher Bedarf an modernster Technologie für Weltraumressourcen. Jedes im Weltraum eingesetzte Produkt muss jedoch die grundlegenden Anforderungen für einen nachhaltigen und zuverlässigen Betrieb erfüllen.

Der Bedarf an schnelleren Wiederholungsraten für Erdbeobachtungsbilder treibt die Anforderungen an Feldsatellitenkonstellationen voran, was wiederum den Druck erhöht, die Satellitenbeschaffungskosten zu senken.
Die Vorbereitung einer kommerziellen Komponente für den Einsatz in Weltraumanwendungen erfordert drei wesentliche Schritte: Strahlungsbewertung, Gehäuseabmessungen und Qualifizierung.

Strahlungsbewertung:
Die Auswirkungen von Strahlung im Weltraum sind weitreichend und orbitabhängig. Die Auswirkungen von Strahlung auf alle für den Weltraumeinsatz vorgesehenen Komponenten müssen bewertet werden, da Strahlung physische Schäden an den Komponenten und damit den Funktionsverlust kritischer Satellitenausrüstung verursachen kann. Tabelle 1 fasst die Strahlungseffekte in verschiedenen Erdumlaufbahnen zusammen.
Tabelle 1: Strahlungseffekte in der Erdumlaufbahn.

Die Auswirkungen der Strahlung im Weltraum werden in zwei Hauptkategorien unterteilt: die Gesamtdosis ionisierender Strahlung und die Auswirkungen einzelner Ereignisse.

Die Gesamtdosis ionisierender Strahlung (TID) bezeichnet die langfristige Akkumulation von Strahlung. In den meisten mikroelektronischen Bauelementen führt TID zu Leistungsverschlechterungen und erhöhtem Leckstrom. TID kann sogar einen vollständigen Funktionsausfall verursachen. Die Auswirkungen von TID können bereits durch geringfügige Abweichungen im Wafer-Herstellungsprozess variieren. Daher werden Mikroschaltungen für Weltraumanwendungen häufig chargenweise auf ihre TID geprüft. Der erfolgreiche Einsatz von Mikroschaltungen im Weltraum hängt von einem umfassenden Verständnis der TID-Auswirkungen der verwendeten Bauelemente ab.
Einzelereigniseffekte (SEE) bezeichnen die Folgen der Wechselwirkung einer Mikroschaltung mit einem einzelnen subatomaren Teilchen. In Weltraumanwendungen handelt es sich dabei typischerweise um ein Proton oder ein schweres Ion; in der Luftfahrt typischerweise um ein Neutron. Elektrische Einzelereignisfehler (SEEs) lassen sich in verschiedene Unterkategorien einteilen: Einzelereignis-Latch-ups, Einzelereignis-Upsets, Einzelereignis-Transienten und Einzelereignis-Funktionsunterbrechungen.
Ein Single-Event-Latch-up ist ein Phänomen, bei dem eine parasitäre PNPN-Struktur durch Ionisierung mittels eines Schwerions in Durchlassrichtung vorgespannt wird. Dies führt zu Stromstärken, die den integrierten Schaltkreis irreversibel beschädigen können.
Single-Event-Upsets treten in Flip-Flops und integrierten Speicherelementen aufgrund des Stromstoßes auf, der durch die Ionisierung und anschließende Rekombination von Siliziumatomen beim Durchgang eines Schwerions durch einen Mikroschaltkreis entsteht. Entwicklern stehen verschiedene Gegenmaßnahmen zur Verfügung, wie beispielsweise dreifache modulare Redundanz (TMR) für Flip-Flops und Fehlererkennungs- und -korrekturverfahren (EDAC) für Speicher.

Während einzelne Bitfehler in Flip-Flops oder eingebetteten Speicherzellen nur geringe Auswirkungen haben, können sie katastrophal sein, wenn sie im Konfigurationsspeicher eines SRAM-basierten FPGAs auftreten. In diesem Fall kann ein einzelnes schweres Ion unbeabsichtigte Änderungen der FPGA-Funktionalität verursachen (Abb. 1). Die Behebung dieser Konfigurationsänderungen erfordert einen erheblichen Systemaufwand in Form von Konfigurationsbereinigung und -reparatur.

Abb. 1: Einfluss schwerer Ionen auf die Funktionalität von FPGAs.

Vorübergehende Signaländerungen, die durch Einzelereignisstrahlung in kombinatorischer Logik verursacht werden, werden als Einzelereignis-Transienten (SETs) bezeichnet und können problematisch sein, wenn der Transient am Dateneingang eines Registers genau im Moment der Registersynchronisation auftritt. In diesem Fall wird der Transient als Einzelbit-Störung gespeichert. Mit steigender Taktfrequenz erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit, einen Transienten zu erfassen.
Jedes einzelne Strahlungsereignis, das eine Funktionsänderung eines integrierten Schaltkreises verursacht, wird als Einzelereignis-Funktionsunterbrechung bezeichnet. Mit zunehmender Komplexität integrierter Schaltkreise steigt die Anzahl der möglichen Ursachen für Einzelereignis-Funktionsunterbrechungen drastisch an.
Der erfolgreiche Einsatz von Mikroschaltungen im Weltraum hängt von einem umfassenden Verständnis der Strahlungseffekte auf die mitgeführten Bauteile ab. Daher ist es für Organisationen, die Raumfahrthardware entwickeln, wichtig, Testdaten für die exakte Charge der mit den Flugkomponenten gelieferten Wafer verfügbar zu haben. Die Bewertung der Strahlungseffekte erfordert zerstörende Prüfungen. Flugkomponenten können nicht Strahlungstests unterzogen werden, da dies die erwartete Lebensdauer der Komponenten erheblich beeinträchtigen würde. Die Prüfung auf Strahlungseffekte erfolgt durch Stichprobenentnahme aus jeder Wafercharge. Tests auf Einzelereigniseffekte werden früh im Produktlebenszyklus durchgeführt, da die Auswirkungen eines Einzelereignisses vom IC-Design abhängen und weniger stark vom Wafer-Herstellungsprozess beeinflusst werden. Bei kommerziellen Bauteilen ist besondere Sorgfalt geboten, da Lieferungen von unterschiedlichen Waferchargen, sogar unterschiedlichen Pellet-Revisionen oder verschiedenen Foundries stammen können, was die Variabilität der Strahlungseffekte auf die Bauteile drastisch erhöhen kann. Ohne lückenlose Rückverfolgbarkeit lässt sich nicht mit Sicherheit sagen, ob die strahlungsgeprüften Bauteile repräsentativ für die im Einsatz befindlichen Bauteile sind. Im Gegensatz dazu verfügen Mikrochips für Raumflüge typischerweise über eine vollständige Chargenrückverfolgbarkeit, und der Gerätehersteller kann TID-Testdaten für die spezifische Wafercharge bereitstellen, aus der die Flugkomponenten stammen.

Gehäuse:
Die meisten in hochzuverlässigen Satelliten eingesetzten Mikroschaltungen sind in hermetisch verschlossenen Keramikgehäusen untergebracht. Dafür gibt es drei Hauptgründe. Erstens die gute Prüfbarkeit. Militärstandards für die Herstellung und Prüfung von Komponenten für Weltraumsysteme (z. B. Mil Prf 38534, Mil Prf 38535 und Mil Std 883 Klasse B) schreiben eine unabhängige Prüfung der integrierten Schaltung im Gehäuse vor dem Versiegeln vor, um die Qualität der Montage zu gewährleisten. Diese Prüfung lässt sich bei Keramikgehäusen problemlos vor dem Versiegeln durchführen.
Ein weiterer Vorteil von Keramikgehäusen ist, dass das Keramikmaterial bei extremen Temperaturen oder im Vakuum keine Dämpfe abgibt (Ausgasung). Kunststoffgehäuse hingegen können Dämpfe abgeben, die zum Beschlagen optischer Komponenten im Weltraum führen können.
Der letzte Vorteil hermetisch verschlossener Keramikgehäuse liegt in ihrer Fähigkeit, die darin befindlichen mikroelektronischen Komponenten während der Montage und Integration der Weltraumhardware vor schädlicher Feuchtigkeit oder Reinigungsmitteln zu schützen.
Aus diesen Gründen sind hermetisch dichte Keramikgehäuse für anspruchsvollste Missionen, wie z. B. nationale Sicherheitsmissionen im Weltraum und bemannte Raumflüge, unerlässlich.
Mit steigenden Leistungsanforderungen stehen Keramikgehäuse vor wachsenden und bedeutenden Herausforderungen. Die größere Anzahl an I/O-Pins, die moderne integrierte Schaltungen benötigen, erfordert, dass die Pins für Signale, Stromversorgung und Masse in einem zweidimensionalen Array auf der Unterseite des Gehäuses angeordnet werden, anstatt wie bei einigen traditionellen Gehäusen, z. B. keramischen Quad-Planar-Gehäusen (CQFPs), linear um das Gehäuse herum angeordnet zu sein. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gehäuse und Leiterplatte verursachen mechanische Spannungen, die herkömmliche Lötperlen abscheren können, wenn die Leiterplatte den erweiterten Temperaturbereich durchläuft. Um dieses Problem zu lösen, werden Lötsäulen anstelle von Lötperlen verwendet. Lötsäulen sind mechanisch flexibel und absorbieren die mechanischen Spannungen, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Leiterplatte und Keramikgehäuse entstehen.
Eine weitere Herausforderung für Keramikgehäuse betrifft ihre elektrischen Eigenschaften. Die neuesten On-Board-Signalverarbeitungssysteme sind für serielle Datenverbindungen zwischen integrierten Schaltungen und Leiterplatten ausgelegt, mit Datenraten von 10 bis 12 Gbit/s. Keramikgehäuse können diese Anforderungen erfüllen. Die nächste Systemgeneration wird diese Datenraten jedoch übertreffen und stellt die aktuelle Keramikgehäusetechnologie vor neue Herausforderungen. Hersteller von Keramikgehäusen reagieren darauf mit neuen Technologien, die derzeit evaluiert werden.
Aufgrund der Schwierigkeiten, die der Einsatz von Keramikgehäusen mit sich bringt, planen einige Raumfahrtprogramme den Einsatz von integrierten Schaltungen in Kunststoffgehäusen. Kunststoffgehäuse bieten den Vorteil geringerer parasitärer elektrischer Effekte als Keramikgehäuse und ermöglichen so eine höhere Leistung bei Hochgeschwindigkeits-I/O. Darüber hinaus ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Kunststoffgehäusen dem des Leiterplattenmaterials deutlich ähnlicher, was die mechanische Belastung der Lötperlen drastisch reduziert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Lötsäulen, was zu einer höheren Effizienz führt.

Qualifizierung:
Die Tests, die im Rahmen der IC-Qualifizierung für den Einsatz im Weltraum durchgeführt werden, hängen davon ab, ob der IC in einem Keramik- oder Kunststoffgehäuse integriert ist.
Bei ICs mit Keramikgehäuse erfolgt die Qualifizierung gemäß einem etablierten Standard, wie z. B. Mil Prf 38535 oder einer gleichwertigen ESA-Spezifikation. Die meisten US-amerikanischen Anbieter erfüllen die Anforderungen von Mil Prf 38535. Die wichtigsten Qualifizierungsschritte sind in Tabelle 1 aufgeführt. Mil Prf 38535 spezifiziert zwei Qualifizierungsstufen, bekannt als QML Klasse Q und QML Klasse V. QML Klasse Q ist für hochzuverlässige Verteidigungsanwendungen vorgesehen, QML Klasse V für die zuverlässigsten Weltraumanwendungen. Der Hauptunterschied zwischen den QML-Klassen Q und V besteht darin, dass Klasse V die strengsten Qualifizierungsanforderungen stellt, wie beispielsweise einen 4.000-stündigen Hochtemperatur-Lebensdauertest für das Qualifizierungsmuster, verglichen mit 1.000 Stunden für Klasse Q.
Beispiele für integrierte Schaltungen in Keramikgehäusen sind die strahlungsresistenten RTG4-FPGAs von Microchip, die 2018 ihre QML-Qualifizierungen der Klassen Q und V erreichten (Abb. 2).

Abb. 2: Strahlungstolerantes FPGA vom Typ Microchip RTG4.

Für integrierte Schaltkreise in Kunststoffgehäusen existiert kein von der gesamten Raumfahrtindustrie anerkannter Qualifizierungsstandard. Werden Kunststoffgehäuse für Weltraumanwendungen angeboten, basieren die Qualifizierungsmaßnahmen auf den JEDEC-Standards. Führende Anbieter und Abnehmer integrierter Schaltkreise in der Raumfahrtindustrie arbeiten im Rahmen eines JEDEC-Komitees an der Definition eines Standards für die Qualitätsmanagementlinie (QML) zur Qualifizierung und Kontrolle von in Kunststoffgehäusen verpackten integrierten Schaltkreisen für den Einsatz im Weltraum. Sobald ein QML-Standard für die Qualifizierung und das Screening von in Kunststoffgehäusen verpackten Mikroschaltungen für den Einsatz im Weltraum vereinbart ist, werden voraussichtlich viele IC-Anbieter, die derzeit Raumfahrtprodukte anbieten, Mikroschaltungen anbieten, die gemäß diesem Standard qualifiziert und gescreent wurden.

Neue Alternativen:
Satellitendienstleister suchen nach neuen Märkten und neuen Anwendungsbereichen, wie globalen Kommunikationsnetzen und hochauflösender Oberflächenbildgebung. Diese Anwendungen erfordern Satellitenkonstellationen. Um die Kosten für den Einsatz einer großen Anzahl von Satelliten im Rahmen zu halten, verwenden Satellitenentwickler häufig Komponenten, die nicht speziell für Strahlungsumgebungen oder den Einsatz im Weltraum ausgelegt sind. Das Risiko besteht darin, dass Standardkomponenten (COTS) oft keine Weltraumerfahrung, keine Weltraumqualifizierung und nicht einmal eine Chargenrückverfolgbarkeit oder Homogenität aufweisen. Daher sind die an einer Probe erhobenen Strahlungsdaten nicht unbedingt repräsentativ für Bauteile, die für den Weltraumflug vorgesehen sind.
Als Reaktion darauf bieten einige Mikrochip-Hersteller strahlungstolerante Komponenten ohne die vollständigen QML-Tests für den Weltraum an. Beispielsweise ist die strahlungstolerante FPGA-Familie RTG4 von Microchip derzeit in einem Kunststoff-Ball-Array-Gehäuse erhältlich und wird nach JEDEC-Standards qualifiziert. Die Entwicklung eines solchen „Sub-QML“-Produkts bietet Entwicklern von großen Satellitenkonstellationen einen alternativen Ansatz, der auf QML-Screenings verzichtet und somit Kosten spart. Der Einsatz strahlungsresistenter Mikroschaltungen bietet ein hohes Maß an Strahlungssicherheit und Schutz vor Altlasten bei Weltraummissionen und vermeidet die mit COTS-Komponenten verbundene mangelnde Rückverfolgbarkeit.

Die sich wandelnden Anforderungen von Raumfahrtentwicklern treiben die Nachfrage nach hochdichten, leistungsstarken integrierten Schaltungen an. Die extremen Bedingungen im Weltraum erfordern eine hohe Strahlungsbeständigkeit und robuste Zuverlässigkeit der für Weltraumanwendungen vorgesehenen Komponenten. Unabhängig davon, ob Kunststoff- oder Keramikgehäuse verwendet werden, ist ein klar definierter Satz von Qualifizierungs- und Auswahlkriterien unerlässlich, um den Erfolg zukünftiger Weltraummissionen zu gewährleisten. Etablierte Hersteller von Mikroschaltungen in Weltraumqualität stellen sich dieser Herausforderung und bieten ein erweitertes Produktsortiment an, das neben traditionellen QML-qualifizierten Komponenten auch Sub-QML-Bauelemente umfasst. Diese kombinieren die Vorteile von Strahlungsbeständigkeit und Rückverfolgbarkeit mit kostengünstigeren Gehäuse- und Prüfverfahren.

Autor: Ken O'Neill, stellvertretender Direktor, Marketing für Raumfahrt und Luftfahrt, FPGA-Geschäftsbereich, Microchip Technology