Cependant, lorsque les concepteurs créent des charges utiles d'imagerie à la résolution suffisante pour répondre aux besoins des opérateurs de satellites, ils se heurtent au problème récurrent des limitations de la bande passante descendante. Pour les satellites d'imagerie en orbite terrestre basse (LEO), qui génèrent des dizaines de gigabits de données par seconde et effectuent environ 16 orbites terrestres par jour, il est impraticable d'envoyer un flux de données continu vers la Terre via un réseau de relais spatial. Traditionnellement, les données d'image étaient compressées et stockées à bord du satellite ; toutefois, une utilisation plus efficace du réseau de relais de données assurant la connexion avec la station au sol peut être obtenue en effectuant un traitement plus poussé des données à bord des satellites, afin que les informations puissent être transmises à la Terre, au lieu de rester sous forme de données brutes. Ceci a entraîné une explosion de la demande en composants capables d'atteindre les débits de traitement de données élevés nécessaires, tout en respectant des exigences strictes de résistance aux radiations.
Les progrès de l'intelligence artificielle et de l'apprentissage automatique (IA/AA) offrent des perspectives prometteuses pour optimiser l'utilisation de la bande passante descendante, notamment en éliminant les images ne contenant aucune donnée pertinente (par exemple, sur un satellite de surveillance de l'occupation des sols, les images où le sol est masqué par une épaisse couverture nuageuse seraient inutiles ; ou sur un satellite de suivi du trafic maritime, les images océaniques sans navire visible seraient inefficaces). De plus, l'IA/AA permet d'automatiser la prise de décision à bord, réduisant ainsi, voire éliminant, l'analyse humaine qui peut engendrer des délais de plusieurs jours, voire de plusieurs semaines, avant le déploiement des données d'imagerie.
Face à l'évolution des exigences des missions spatiales, le besoin de technologies de pointe pour les équipements spatiaux est constant et manifeste ; toutefois, tout produit déployé dans l'espace doit impérativement répondre aux exigences fondamentales d'un fonctionnement durable et fiable.

La nécessité d'accroître la fréquence de revisite pour l'imagerie d'observation de la Terre impose des exigences accrues aux constellations de satellites de terrain, ce qui, à son tour, engendre la nécessité de réduire les coûts d'acquisition des satellites.
La préparation d'un composant commercial pour des applications spatiales requiert trois étapes clés : l'évaluation des rayonnements, l'analyse de l'enveloppe et la qualification.

Évaluation des rayonnements :
Les effets des rayonnements spatiaux sont généralisés et dépendent de l’orbite. Il est impératif d’évaluer les effets des rayonnements sur tout composant destiné à l’espace, car ils peuvent endommager physiquement ce composant et entraîner la perte de fonctionnalité des équipements critiques du satellite. Le tableau 1 récapitule les effets des rayonnements sur différentes orbites terrestres.
Tableau 1 : Effets des rayonnements en orbite terrestre.

Les effets des rayonnements spatiaux se divisent en deux grandes catégories : les effets de la dose ionisante totale et les effets d’un événement unique.

La dose ionisante totale (DIT) désigne l'accumulation de rayonnements à long terme. Dans la plupart des dispositifs microélectroniques, la DIT entraîne une dégradation des performances et une augmentation du courant de fuite. Elle peut même provoquer une perte totale de fonctionnalité. Les effets de la DIT peuvent varier en fonction de légères variations dans le processus de fabrication des plaquettes ; c'est pourquoi les microcircuits destinés aux applications spatiales sont souvent proposés avec des tests de DIT par lot. Le déploiement réussi de tout microcircuit dans l'espace repose sur une compréhension approfondie des effets de la DIT sur les dispositifs utilisés. Les
effets d'événement unique (EEU) résultent de l'interaction d'un microcircuit avec une particule subatomique unique. Dans les applications spatiales, il s'agit généralement d'un proton ou d'un ion lourd ; dans les applications aéronautiques, il s'agit généralement d'un neutron. Les erreurs électriques d'événement unique (EEU) peuvent être classées en plusieurs sous-catégories : verrouillages d'événement unique, perturbations d'événement unique, transitoires d'événement unique et interruptions fonctionnelles d'événement unique.
Un verrouillage par événement unique (ou « single-event latch-up ») est un phénomène au cours duquel une structure PNPN parasite se polarise en direct suite à l'ionisation causée par un ion lourd, générant des niveaux de courant susceptibles d'endommager irrémédiablement le circuit intégré.
Ces verrouillages se produisent dans les bascules et les éléments de mémoire intégrés en raison de la surintensité résultant de l'ionisation et de la recombinaison subséquente des atomes de silicium lors du passage d'un ion lourd dans un microcircuit. Les concepteurs disposent de plusieurs méthodes d'atténuation, telles que la redondance modulaire triple (TMR) pour les bascules et le codage et décodage avec détection et correction d'erreurs (EDAC) pour les mémoires.

Bien que les erreurs d'un seul bit dans les bascules ou les cellules de mémoire embarquées puissent avoir des conséquences limitées, elles peuvent s'avérer catastrophiques si elles surviennent dans la mémoire de configuration d'un FPGA à base de SRAM. Dans ce cas, un seul ion lourd peut provoquer des modifications imprévues du fonctionnement du FPGA (Fig. 1). La correction de ces altérations de configuration nécessite une surcharge système importante, sous forme de nettoyage et de réparation de la configuration.

Fig. 1 : Effet des ions lourds sur la fonctionnalité des FPGA.

Les variations transitoires des signaux causées par les effets d'un rayonnement unique dans la logique combinatoire sont appelées transitoires d'événement unique (SET) et peuvent poser problème si le transitoire est présent à l'entrée de données d'un registre au moment précis de sa synchronisation. Dans ce cas, le transitoire est conservé sous la forme d'une perturbation d'un bit. Plus la fréquence d'horloge augmente, plus la probabilité de capturer un transitoire augmente également.
Tout événement de rayonnement unique provoquant une modification du fonctionnement d'un circuit intégré est appelé interruption fonctionnelle d'événement unique. Avec la complexification des circuits intégrés, le nombre de façons dont les interruptions fonctionnelles d'événement unique peuvent se produire augmente considérablement.
Le succès du déploiement de tout microcircuit dans l'espace repose sur une compréhension approfondie des effets des rayonnements sur les dispositifs embarqués. Il est donc essentiel pour les organismes développant du matériel spatial de disposer de données de test pour le lot précis de plaquettes fournies avec les composants de vol. L'évaluation des effets des rayonnements nécessite des essais destructifs. Les unités de vol ne peuvent être soumises à des essais d'effets des rayonnements, car cela impacterait fortement la durée de vie prévue des composants. Les effets des radiations sont testés par échantillonnage de chaque lot de plaquettes. Les tests d'effets ponctuels sont effectués en début de cycle de vie du produit, car les effets d'un événement unique dépendent de la conception du circuit intégré et sont généralement moins variables selon le processus de fabrication des plaquettes. Une attention particulière doit être portée aux composants commerciaux, car un même lot peut provenir de plaquettes différentes, voire de révisions de pastilles différentes, ou encore de fonderies différentes, ce qui peut accroître considérablement la variabilité des effets des radiations sur les composants. Sans traçabilité rigoureuse, il est impossible de garantir que les composants soumis aux tests de radiation sont représentatifs des composants en service. En revanche, les microcircuits destinés aux vols spatiaux bénéficient généralement d'une traçabilité complète par lot, et le fabricant peut fournir les données de test TID pour le lot de plaquettes spécifique dont proviennent les composants utilisés pour le vol.

Boîtiers :
La plupart des microcircuits utilisés dans les satellites à haute fiabilité sont logés dans des boîtiers céramiques hermétiques. Le recours à ces boîtiers se justifie par trois raisons principales. La première concerne leur inspectabilité. Les normes militaires régissant la fabrication et les tests des composants destinés aux systèmes spatiaux (par exemple, Mil Prf 38534, Mil Prf 38535 et Mil Std 883 Classe B) exigent une inspection par un organisme tiers du circuit intégré avant scellage, afin de vérifier la qualité de l’assemblage. Cette inspection est aisée sur les boîtiers céramiques avant la fermeture du couvercle.
Autre avantage : à des températures extrêmes ou sous vide, la céramique n’émet pas de vapeurs, un phénomène appelé dégazage. À l’inverse, les boîtiers plastiques peuvent émettre des vapeurs susceptibles de provoquer la formation de buée sur les composants optiques dans l’espace.
Enfin, les boîtiers céramiques hermétiques protègent les composants microélectroniques internes de l’humidité et des fluides de nettoyage des cartes électroniques lors de l’assemblage et de l’intégration du matériel spatial.
Pour ces raisons, les boîtiers céramiques hermétiques sont essentiels aux missions les plus exigeantes et critiques, telles que les missions spatiales de sécurité nationale et les vols spatiaux habités.
Les boîtiers céramiques sont confrontés à des défis croissants et importants, liés à l'augmentation des exigences de performance. Le nombre accru de broches d'E/S requis par les circuits intégrés modernes impose que les broches de signaux, d'alimentation et de masse soient montées en réseau 2D sur la face inférieure du boîtier, plutôt qu'en disposition linéaire sur la face externe, comme c'est le cas pour certains boîtiers traditionnels tels que les boîtiers CQFP (Ceramic Quad Planar Packages). La différence de coefficient de dilatation thermique entre le boîtier et la carte engendre des contraintes mécaniques susceptibles d'endommager les billes de soudure classiques lorsque la carte de circuit imprimé traverse une large plage de températures. Pour pallier ce problème, on utilise des colonnes de soudure à la place des billes. Ces colonnes, mécaniquement flexibles, absorbent les contraintes mécaniques dues aux différences de dilatation thermique entre la carte et le boîtier céramique.
Un autre défi pour les boîtiers céramiques concerne leurs propriétés électriques. Les systèmes de traitement du signal embarqués les plus récents sont conçus avec une interconnexion de données série entre les circuits intégrés et entre les cartes de circuits imprimés, avec des débits de données atteignant 10 à 12 Gbit/s. Les boîtiers céramiques peuvent répondre à ces exigences. Cependant, la prochaine génération de systèmes dépassera ces débits, ce qui représente un défi pour la technologie actuelle des boîtiers céramiques. Les fournisseurs de boîtiers céramiques relèvent ce défi en développant de nouvelles technologies actuellement en cours d'évaluation.
Face aux difficultés liées à l'utilisation des boîtiers céramiques, certains programmes spatiaux envisagent d'utiliser des circuits intégrés en boîtier plastique. Les boîtiers plastiques présentent l'avantage de générer moins d'effets parasites électriques que les boîtiers céramiques, permettant ainsi des performances supérieures pour les E/S à haut débit. De plus, le coefficient de dilatation thermique des boîtiers plastiques est beaucoup plus proche de celui du matériau du circuit imprimé, ce qui réduit considérablement les contraintes mécaniques sur les billes de soudure, éliminant ainsi le besoin de colonnes de soudure et favorisant une plus grande efficacité.

Qualification :
Les tests effectués lors de la qualification des circuits intégrés pour une utilisation spatiale dépendent du type de boîtier (céramique ou plastique).
Pour les circuits intégrés en boîtier céramique, la qualification est réalisée conformément à une norme établie, telle que la norme Mil Prf 38535 ou une spécification équivalente de l’ESA. La plupart des fournisseurs américains respectent la norme Mil Prf 38535. Les principales étapes de qualification sont répertoriées dans le tableau 1. La norme Mil Prf 38535 spécifie deux niveaux de qualification : la classe QML Q et la classe V QML. La classe QML Q est destinée aux applications de défense à haute fiabilité, tandis que la classe V QML est destinée aux applications spatiales les plus exigeantes en matière de fiabilité. La principale différence entre les classes QML Q et V est que la classe V a les exigences de qualification les plus strictes, telles qu'un test de durée de vie opérationnelle à haute température de 4 000 heures pour l'échantillon de qualification, contre 1 000 heures pour la classe Q.
Les FPGA RTG4 résistants aux radiations de Microchip, qui ont obtenu leurs qualifications QML de classe Q et de classe V en 2018 (Fig. 2), sont des exemples de circuits intégrés dans des boîtiers en céramique.

Fig. 2 : FPGA résistant aux radiations Microchip RTG4.

Pour les circuits intégrés en boîtier plastique, il n'existe pas de norme de qualification faisant consensus au sein de l'industrie spatiale. Lorsque des boîtiers plastiques sont proposés pour des applications spatiales, les activités de qualification s'appuient sur les normes JEDEC. Les principaux fournisseurs et utilisateurs de circuits intégrés du secteur spatial collaborent, au sein d'un comité JEDEC, à la définition d'une norme de Ligne de Gestion de la Qualité (LQQ) pour la qualification et le contrôle des circuits intégrés en boîtier plastique destinés à l'espace. Une fois cette norme LQQ adoptée pour la qualification et le contrôle des microcircuits en boîtier plastique destinés à l'espace, de nombreux fournisseurs de circuits intégrés fournissant actuellement des produits spatiaux proposeront vraisemblablement des microcircuits qualifiés et contrôlés conformément à cette norme.

Nouvelles alternatives :
Les fournisseurs de services satellitaires cherchent à conquérir de nouveaux marchés ou à développer de nouvelles capacités, comme les réseaux de communication mondiaux et l’imagerie de surface à haute fréquence de revisite. Ces opérations nécessitent des constellations de satellites. Afin de maîtriser les coûts de déploiement d’un grand nombre de satellites, les concepteurs utilisent souvent des composants non spécifiquement conçus pour les environnements radiatifs ou le déploiement spatial. Le risque est que les composants disponibles sur étagère (COTS) manquent souvent d’expérience spatiale, de qualification spatiale, voire de traçabilité ou d’homogénéité des lots de plaquettes. Par conséquent, les données de radiation collectées sur un échantillon ne sont pas nécessairement représentatives des pièces destinées aux vols spatiaux.
En réponse, certains fabricants de microcircuits proposent des composants tolérants aux radiations sans l’ensemble des tests QML de niveau spatial. Par exemple, la famille de FPGA tolérants aux radiations RTG4 de Microchip est actuellement disponible en boîtier BAM (Ball Array) plastique, en cours de qualification selon les normes JEDEC. Le développement d’un produit « Sub-QML » comme celui-ci offre aux concepteurs de constellations satellitaires à grande échelle une approche alternative qui élimine le contrôle QML et permet ainsi de réduire les coûts. L'utilisation de microcircuits résistants aux radiations offre un haut niveau de garantie en matière de protection contre les radiations et de pérennité pour les missions spatiales, et évite le manque de traçabilité associé aux composants COTS.

L'évolution des besoins des concepteurs spatiaux stimule la demande en circuits intégrés haute densité et hautes performances. L'environnement extrême de l'espace exige une résistance élevée aux radiations et une fiabilité à toute épreuve des composants destinés aux applications spatiales. Qu'il s'agisse de boîtiers plastiques ou céramiques, un ensemble précis d'exigences de qualification et de sélection est indispensable au succès des futures missions spatiales. Les fabricants reconnus de microcircuits de qualité spatiale relèvent le défi et proposent une gamme de produits élargie, incluant des composants qualifiés QML traditionnels et des dispositifs Sub-QML qui allient résistance aux radiations et traçabilité à un conditionnement et un contrôle moins coûteux.

Auteur : Ken O'Neill, directeur associé du marketing spatial et aéronautique, division FPGA, Microchip Technology