Contudo, quando os projetistas criam cargas úteis de imagem com resolução suficiente para atender às necessidades dos operadores de satélite, deparam-se com o problema perene das limitações de largura de banda de downlink. Para satélites de imageamento em órbita terrestre baixa (LEO) que geram dezenas de gigabits de dados por segundo e completam órbitas terrestres aproximadamente 16 vezes por dia, é impraticável enviar um fluxo constante de dados para a Terra através de uma rede de retransmissão espacial. Historicamente, os dados de imagem eram comprimidos e armazenados a bordo do satélite; no entanto, uma utilização mais eficiente da rede de retransmissão de dados que proporciona a ligação à estação terrestre pode ser conseguida realizando mais processamento de dados a bordo dos satélites, de modo a que a informação possa ser transmitida para a Terra, em vez de permanecer como dados brutos. Isto levou a uma explosão na procura de componentes capazes de atingir as elevadas taxas de processamento de dados necessárias, cumprindo simultaneamente os rigorosos requisitos de tolerância à radiação.
Os avanços na inteligência artificial e na aprendizagem automática (IA/ML) criaram oportunidades entusiasmantes para otimizar a utilização da largura de banda de downlink, por exemplo, eliminando imagens que não contêm dados relevantes (por exemplo, num satélite que monitoriza o uso da terra, imagens em que o solo está obscurecido por uma densa cobertura de nuvens seriam inúteis; ou num satélite que rastreia o tráfego marítimo, imagens do oceano onde não é visível qualquer navio). Além disso, a IA/ML permite a automatização da tomada de decisões a bordo, reduzindo ou eliminando a análise humana que pode adicionar dias ou semanas de latência à implementação de dados de imagem.
À medida que os requisitos das missões espaciais evoluem, existe uma necessidade clara e persistente de tecnologia de ponta em ativos espaciais; no entanto, qualquer produto implantado no espaço deve cumprir os requisitos fundamentais para uma operação sustentável e fiável.

A necessidade de taxas de revisita mais rápidas para imagens de observação da Terra impulsiona os requisitos para as constelações de satélites de campo, o que, por sua vez, impulsiona a necessidade de reduzir os custos de aquisição de satélites.
A preparação de um componente comercial para utilização em aplicações espaciais requer três etapas principais: avaliação da radiação, do envelope e da qualificação.

Avaliação da Radiação:
Os efeitos da radiação no espaço são generalizados e dependem da órbita. Os efeitos da radiação em qualquer componente destinado ao espaço devem ser avaliados, uma vez que a radiação pode provocar danos físicos no componente e a consequente perda de funcionalidade de equipamentos críticos do satélite. A Tabela 1 resume os efeitos da radiação em várias órbitas terrestres.
Tabela 1: Efeitos da radiação na órbita terrestre.

Os efeitos da radiação no espaço dividem-se em duas categorias principais: efeitos da dose ionizante total e efeitos de eventos isolados.

A dose total de radiação ionizante (TID) refere-se à acumulação de radiação a longo prazo. Na maioria dos dispositivos microelectrónicos, a TID leva à degradação do desempenho e ao aumento da corrente de fuga. A TID pode mesmo provocar a perda completa da funcionalidade. Os efeitos da TID podem variar com pequenas variações no processo de fabrico do wafer, pelo que os microcircuitos destinados a aplicações espaciais são frequentemente oferecidos com testes de TID em cada lote. O sucesso da implantação de qualquer microcircuito no espaço depende de uma compreensão completa dos efeitos da TID nos dispositivos a utilizar.
Os efeitos de evento único (SEE) referem-se ao resultado da interação de um microcircuito com uma única partícula subatómica. Nas aplicações espaciais, trata-se tipicamente de um protão ou de um ião pesado; em aplicações aeronáuticas, é geralmente um neutrão. Os erros elétricos de evento único (SEEs) podem ser divididos em várias subcategorias: falhas de evento único, perturbações de evento único, transitórios de evento único e interrupções funcionais de evento único.
Um latch-up de evento único é um fenómeno em que uma estrutura PNPN parasita fica polarizada diretamente devido à ionização provocada por um ião pesado, gerando níveis de corrente que podem causar danos irreversíveis no circuito integrado.
Estes problemas ocorrem em flip-flops e elementos de memória integrados devido ao pico de corrente resultante da ionização e subsequente recombinação dos átomos de silício quando um ião pesado atravessa um microcircuito. Os projetistas dispõem de vários métodos de mitigação, como a redundância modular tripla (TMR) para flip-flops e a codificação e descodificação com deteção e correção de erros (EDAC) para memórias.

Embora pequenas discrepâncias de um único bit em flip-flops ou células de memória incorporadas possam ter consequências limitadas, podem ser catastróficas se ocorrerem na memória de configuração de um FPGA baseado em SRAM. Neste caso, um único ião pesado pode provocar alterações não intencionais na funcionalidade do FPGA (Fig. 1). A mitigação destas alterações de configuração exige uma sobrecarga significativa do sistema sob a forma de limpeza e reparação da configuração.

Figura 1: Efeito dos iões pesados ​​na funcionalidade dos FPGAs.

As alterações transitórias nos sinais causadas pelos efeitos da radiação de evento único em lógica combinacional são designadas por transientes de evento único (SETs, na sigla em inglês) e podem ser problemáticas se o transiente estiver presente na entrada de dados de um registo no preciso momento em que o registo é sincronizado. Neste caso, o transitório é preservado como uma perturbação de um único bit. À medida que a frequência do relógio aumenta, aumenta também a probabilidade de capturar um transitório.
Qualquer evento de radiação único que provoque uma alteração na função de um circuito integrado é designado por interrupção funcional de evento único. À medida que os circuitos integrados se tornam mais sofisticados, o número de formas pelas quais as interrupções funcionais de um único evento podem ocorrer aumenta drasticamente.
O sucesso da implantação de qualquer microcircuito no espaço depende de uma compreensão completa dos efeitos da radiação nos dispositivos que serão utilizados em voo espacial. Assim, é importante que as organizações que desenvolvem hardware para voos espaciais tenham dados de teste disponíveis para o lote exato de wafers fornecidos com os componentes de voo. A avaliação dos efeitos da radiação requer ensaios destrutivos. As unidades de voo não podem ser submetidas a testes de efeitos da radiação, uma vez que isso afetaria severamente a vida útil esperada dos componentes. Os testes para avaliar os efeitos da radiação são realizados através da amostragem de cada lote de wafers. Os testes de efeitos de evento único são conduzidos no início do ciclo de vida do produto, dado que os efeitos de um único evento dependem do design do circuito integrado e tendem a não ser tão variáveis ​​com o processo de fabrico do wafer. Deve-se ter especial cuidado com os componentes comerciais, uma vez que qualquer lote destes componentes pode ter origem em diferentes lotes de wafers, até mesmo em diferentes revisões de pellets ou em diferentes fundições, o que pode aumentar drasticamente a variabilidade dos efeitos da radiação sobre os componentes. Sem uma rastreabilidade rigorosa, é impossível ter a certeza de que os componentes submetidos a testes de radiação são representativos dos componentes em utilização. Em contraste, os microcircuitos oferecidos para voos espaciais possuem normalmente uma rastreabilidade completa do lote, e o fabricante do dispositivo pode fornecer dados de teste TID para o lote de wafer específico a partir do qual os componentes para o voo espacial são originários.

Embalagens:
A maioria dos microcircuitos utilizados em satélites de alta fiabilidade são acondicionados em encapsulamentos cerâmicos hermeticamente fechados. Existem três razões principais para a utilização de encapsulamentos cerâmicos. A primeira está relacionada com a facilidade de inspeção destes encapsulamentos. As normas militares que regem o fabrico e os ensaios de componentes para utilização em sistemas espaciais (por exemplo, Mil Prf 38534, Mil Prf 38535 e Mil Std 883 Classe B) exigem a inspeção por terceiros do circuito integrado dentro do encapsulamento antes da selagem, para verificar a qualidade da montagem. A inspeção é facilmente realizada em encapsulamentos cerâmicos antes da selagem da tampa.
Outra vantagem dos encapsulamentos cerâmicos é que, a temperaturas extremas ou em vácuo, o material cerâmico não emite vapores, fenómeno conhecido como desgaseificação. Em contraste, os encapsulamentos plásticos podem emitir vapores, o que pode provocar o embaciamento dos componentes óticos no espaço.
A última vantagem dos encapsulamentos cerâmicos hermeticamente fechados é a sua capacidade de proteger os componentes microelectrónicos internos da humidade prejudicial ou de fluidos de limpeza de placas durante a montagem e integração do hardware espacial.
Por estas razões, os encapsulamentos cerâmicos hermeticamente selados são essenciais para as missões mais exigentes e de alto nível, como as missões espaciais de segurança nacional e as missões espaciais tripuladas.
Os encapsulamentos cerâmicos enfrentam desafios crescentes e significativos à medida que os requisitos de desempenho aumentam. O maior número de pinos de E/S exigido pelos circuitos integrados modernos torna necessário que os pinos para sinais, alimentação e terra sejam montados numa matriz 2D na parte inferior do encapsulamento, em vez de um arranjo linear de pinos em torno da parte exterior do encapsulamento, como implementado em alguns encapsulamentos tradicionais, como os encapsulamentos cerâmicos quad planares (CQFPs). A diferença no coeficiente de expansão térmica entre o encapsulamento e a placa provoca uma tensão mecânica que pode romper as esferas de solda comuns à medida que a placa de circuito impresso percorre a ampla gama de temperaturas. Para resolver este problema, são utilizadas colunas de solda em vez de esferas de solda. As colunas de soldadura são mecanicamente flexíveis e absorvem a tensão mecânica associada às diferentes taxas de expansão térmica da placa e do encapsulamento cerâmico.
Um desafio adicional para os encapsulamentos cerâmicos está relacionado com as suas propriedades elétricas. Os mais recentes sistemas de processamento de sinal embebido estão a ser concebidos com interconectividade de dados em série entre circuitos integrados e entre placas de circuito impresso, com taxas de dados que atingem os 10 a 12 Gb/s. Os encapsulamentos cerâmicos conseguem acompanhar estas exigências. No entanto, a próxima geração de sistemas irá exceder estas taxas de dados, representando um desafio para a tecnologia atual de encapsulamento cerâmico. Os fornecedores de encapsulamento cerâmico estão a responder a este desafio com novas tecnologias que estão a ser avaliadas.
Devido aos desafios impostos pela utilização de encapsulamentos cerâmicos, alguns programas espaciais planeiam utilizar circuitos integrados com encapsulamentos plásticos. Os encapsulamentos plásticos têm a vantagem de apresentar menos efeitos parasitas elétricos do que os encapsulamentos cerâmicos, permitindo um maior desempenho em E/S de alta velocidade. Além disso, o coeficiente de expansão térmica dos encapsulamentos plásticos é muito mais próximo do do material da placa de circuito impresso, o que reduz drasticamente a tensão mecânica nas esferas de solda, eliminando a necessidade de colunas de solda e promovendo assim uma maior eficiência.

Qualificação:
Os testes realizados durante a qualificação de circuitos integrados (CIs) para utilização espacial dependem se o CI está integrado num encapsulamento cerâmico ou plástico.
Para os CI com encapsulamentos cerâmicos, a qualificação é realizada de acordo com uma norma estabelecida, como a Mil Prf 38535 ou uma especificação equivalente da ESA. A maioria dos fornecedores sediados nos EUA segue a Mil Prf 38535. As principais etapas de qualificação estão listadas na Tabela 1. Existem dois níveis de qualificação especificados na Mil Prf 38535, conhecidos como QML Classe Q e QML Classe V. A QML Classe Q destina-se a aplicações de defesa de alta fiabilidade, e a QML Classe V destina-se às aplicações espaciais de máxima fiabilidade. A principal diferença entre as classes Q e V QML é que a classe V tem os requisitos de qualificação mais rigorosos, como um teste de vida útil operacional a alta temperatura de 4000 horas para a amostra de qualificação, em comparação com 1000 horas para a classe Q.
Exemplos de circuitos integrados em encapsulamentos cerâmicos são os FPGAs RTG4 tolerantes à radiação da Microchip, que obtiveram as suas qualificações QML de classe Q e classe V em 2018 (Fig. 2).

Figura 2: FPGA tolerante à radiação RTG4 da Microchip.

Para os circuitos integrados em encapsulamento plástico, não existe um padrão de qualificação acordado por toda a indústria espacial. Quando são oferecidos encapsulamentos plásticos para aplicações espaciais, as atividades de qualificação são baseadas nas normas JEDEC. Os principais fornecedores e consumidores de circuitos integrados na indústria espacial estão a colaborar na definição de um padrão de Linha de Gestão da Qualidade (QML) para a qualificação e o controlo de circuitos integrados em encapsulamento plástico para uso espacial, no âmbito de um comité JEDEC. Assim que for acordado um padrão QML para a qualificação e triagem de microcircuitos em encapsulamento plástico para uso espacial, muitos fornecedores de CI que atualmente suportam produtos espaciais provavelmente oferecerão microcircuitos qualificados e triados de acordo com esse padrão.

Novas Alternativas:
Os fornecedores de serviços de satélite procuram abrir novos mercados ou criar novas capacidades, como redes de comunicação globais e imagens de superfície com uma elevada taxa de revisita. Estas operações requerem constelações de satélites. Para manter o custo de implantação de um grande número de satélites sob controlo, os projetistas de satélites utilizam frequentemente componentes não especificamente concebidos para ambientes de radiação ou para implantação espacial. O risco é que os componentes comerciais (COTS) carecem frequentemente de histórico espacial, qualificação espacial ou mesmo rastreabilidade ou homogeneidade do lote de wafers, pelo que os dados de radiação recolhidos de uma amostra não são necessariamente representativos das peças destinadas ao voo espacial.
Em resposta, alguns fabricantes de microcircuitos estão a oferecer componentes tolerantes à radiação sem o conjunto completo de testes QML de nível espacial. Por exemplo, a família de FPGAs tolerantes à radiação RTG4 da Microchip está atualmente disponível num encapsulamento de matriz de esferas de plástico, que está a ser qualificado de acordo com as normas JEDEC. O desenvolvimento de um produto "Sub-QML" como este oferece aos designers de constelações de satélites de grande escala uma abordagem alternativa que elimina o rastreio QML para reduzir os custos. A utilização de microcircuitos tolerantes à radiação proporciona um elevado nível de garantia contra a radiação e proteção contra o legado das missões espaciais, além de evitar a falta de rastreabilidade associada aos componentes comerciais prontos a usar (COTS).

As necessidades em constante evolução dos projetistas espaciais estão a impulsionar a procura por circuitos integrados de alta densidade e alto desempenho. O ambiente hostil do espaço exige um elevado nível de tolerância à radiação e robustez e fiabilidade nos componentes destinados a aplicações espaciais. Independentemente de serem utilizados encapsulamentos plásticos ou cerâmicos, um conjunto bem definido de requisitos de qualificação e seleção é essencial para garantir o sucesso das futuras missões espaciais. Os fabricantes consolidados de microcircuitos de grau espacial estão a aceitar o desafio e a oferecer uma gama de produtos alargada que inclui componentes tradicionais qualificados pela QML e dispositivos Sub-QML que combinam as vantagens da tolerância à radiação e da rastreabilidade com o encapsulamento e a triagem de menor custo.

Autor: Ken O'Neill, Diretor Associado de Marketing Espacial e de Aviação, Unidade de Negócios FPGA, Microchip Technology