In letzter Zeit ist in der Raumfahrtindustrie einiges in Bewegung geraten. Die Missionen zu Mars, Jupiter und Asteroiden sowie Innovationen in der Satelliten- und Trägerraketentechnologie haben die Raumfahrt wieder auf die Titelseiten gebracht. Angesichts des kürzlich angekündigten Vorstoßes der NASA, bis 2024 wieder mit Menschen auf dem Mond zu landen, hat es seit Beginn der Weltraumforschung mit dem Sputnik-Start 1957 und dem ersten bemannten Raumflug 1961 nicht mehr so viel Aufmerksamkeit und Enthusiasmus in der Öffentlichkeit und der Branche gegeben.

Bild 1: Ein LEO-Konstellationsnetzwerk besteht auch Hunderten miteinander verbundenen Kleinsatelliten

Bild 1: Ein LEO-Konstellationsnetzwerk besteht aus Hunderten miteinander verbundenen Kleinsatelliten Renesas

Mehr als 50 Jahre später umrunden Kleinsatelliten, auch Smallsats genannt, in einer niedrigen Umlaufbahn (LEO) die Erde. Ihre Aufgabe besteht darin, weltweite Wi-Fi- und Mobilfunkabdeckung zu ermöglichen und die Bildgebungs- und Erdbeobachtungskapazitäten für Industrie und Regierungen zu verbessern. Diese Aktivitäten haben das Interesse von Risikokapitalgesellschaften und Investoren von kommerziellen Unternehmen geweckt, die zuvor noch nie mit der Raumfahrtindustrie zu tun hatten. Der Start und erfolgreiche Einsatz neuer Kleinsatelliten, die in den nächsten Jahren die Grundlage für große Konstellationen bilden werden, erreichte allein im Jahr 2019 eine neue Größenordnung.

Große Halbleiterhersteller arbeiten heute mit neuen Ansätzen und einem völlig neuen Geschäftsmodell daran, um einen neuen Kundenkreis zu erschließen. Der vorliegende Artikel untersucht den aufkommenden Markt für Kleinsatellitenkonstellationen und erklärt, warum Hersteller auf die traditionellen strahlungsfesten Komponenten verzichten, die in den letzten sechs Jahrzehnten in der Raumfahrt zum Einsatz kamen. Der Beitrag erörtert, wie die Hersteller elektronischer Komponenten diesem potenziell disruptiven Markt begegnen, und vergleicht neue strahlungstolerante Kunststoff-ICs mit den heute weit verbreiteten kommerziellen Standard-ICs (COTs, Commercial Off-the-Shelf).

Traditionelle GEO-Satelliten versus LEO-Smallsat-Konstellationen

In der Satellitenindustrie gibt es eine wachsende Divergenz. Herkömmliche Satelliten haben in der Regel eine lange Lebensdauer (15 bis 20 Jahre) und decken eine große Bandbreite von Umlaufbahnen ab. Diese reichen von der geosynchronen Erdumlaufbahn (GEO) bis hin zu Missionen ins All. Außerdem stellen sie strenge Anforderungen an das Strahlenschutzniveau sowie an Zuverlässigkeit und Qualität. Auf der anderen Seite haben kleine Satelliten im LEO – unterhalb des Van-Allen-Strahlungsgürtels, der die meisten zerstörerischen Teilchen aufweist – niedrige Anforderungen an das Strahlungsniveau. Auch ihre Anforderungen an Zuverlässigkeit und Qualität sind weniger streng. Bild 1 zeigt Hunderte von miteinander verbundenen Kleinsatelliten, die ein LEO-Konstellationsnetzwerk bilden.

Bild 2: Die Anschlüsse der oberflächenmontierbaren ICs im Kunststoffgehäuse sind mit Ni/Pd/Au-Ag beschichtet.

Bild 2: Die Anschlüsse der oberflächenmontierbaren ICs im Kunststoffgehäuse sind mit Ni/Pd/Au-Ag beschichtet. Renesas

Die große Kluft zwischen diesen beiden generellen Satellitenklassen schwindet. Mit dem zunehmenden Einsatz großer Konstellationen in einer höheren Erdumlaufbahn und einer größeren Satellitenkapazität sinken die Kosten für die Bandbreite. Dies erfordert eine größere Anzahl von Satelliten, die eine etwas längere Lebensdauer (etwa 5 Jahre), höhere Umlaufbahnen (1100 bis 1300 km), höhere Anforderungen an das Strahlungsniveau und strengere Zuverlässigkeits- und Qualitätsanforderungen erfüllen müssen.

In den letzten Jahren hat sich der Satellitenmarkt stark verändert: Unternehmen, die Satelliten herstellen und integrieren, mussten Auftragseinbrüche bei großen Satelliten in geostationären oder geosynchronen Umlaufbahnen verzeichnen. Die Auftragsvolumina für geokommerzielle Satelliten schrumpfen von einem Jahresdurchschnitt von etwa 20 bis 25 auf fünf bis zehn Satelliten. Dies hat die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich gezogen. Regelmäßig werden neue Vorschläge und Konstellationen angekündigt, und auch die US-Regierung beteiligt sich mit Ausschreibungen (RFPs, Requests for Proposals) für kleine Satellitenkonstellationen.

Der Halbleitermarkt muss sich verändern und anpassen. Diesen neuen Konstellationen fehlt das Budget der herkömmlichen Satelliten. Während ein Satellit für eine geostationäre Umlaufbahn über ein Budget von 100 Millionen US-Dollar oder mehr verfügt, liegen die Budgets für Kleinsatelliten im Bereich von 1 bis 10 Millionen US-Dollar pro Satellit. Die Branche reicht diesen Kostendruck an die Hersteller bis zu den IC-Lieferanten weiter. Auch wenn dies eine Herausforderung für das bestehende Geschäft der Hersteller von weltraumtauglichen ICs darstellt, bietet es auch Chancen, Anwender hierbei zu unterstützen.

Herausforderung COTS

Da diese neuen großen Konstellationen technisch etwas anspruchsvoller als die bisherigen Kleinsatelliten sind, ist davon auszugehen, dass sie eine höhere Anzahl von ICs benötigen. Obwohl sie im Vergleich zu größeren herkömmlichen Satelliten weniger elektronische Bauteile pro Satellit enthalten, führt die schiere Anzahl von Kleinsatelliten und Bodenstationen zu einem viel größeren Mengenpotenzial pro Produkt. Diese Volumenpotenziale sind beispiellos und lassen niedrigere Komponentenkosten erwarten. Auch wenn die Anforderungen an Technik und Strahlung nicht so streng wie bei herkömmlichen Satelliten sind, können die Anforderungen an große Konstellationen dennoch beträchtliche Kosten und Risiken mit sich bringen.

Um die Kosten zu senken, könnte ad hoc ein Ansatz darin bestehen, kommerzielle COTS-Komponenten einzusetzen, die im Vergleich zu herkömmlichen strahlungsfesten Bauelementen weit günstiger sind. Im nächsten Schritt sollte ein Testplan aufgesetzt, Tests durchgeführt und die Ergebnisse gesammelt und analysiert werden. In den meisten Fällen summieren sich die Kosten für das Outsourcing sowohl für Strahlungstests als auch für das elektrische Screening schnell auf, da die meisten IC-Hersteller nicht die Möglichkeit haben, dies im eigenen Hause umzusetzen.

Bild 3: Ein kommerzieller Spannungsregler im SEE-Test: Sobald ein Schwerion den Baustein trifft, kommt es zu einer signifikaten Transiente, die SEFIs erzeugt.

Bild 3: Ein kommerzieller Spannungsregler im SEE-Test: Sobald ein Schwerion den Baustein trifft, kommt es zu einer signifikaten Transiente, die SEFIs erzeugt. Renesas

Darüber hinaus ist der Arbeitsaufwand für die Erstellung des Testplans, die Implementierung und die Analyse der Daten beträchtlich. Diese Aufgaben erfordern eine Lernkurve, um die zu testenden Komponenten zu verstehen oder Herausforderungen beim Testaufbau und bei unerwarteten Testergebnissen zu lösen. Letztendlich besteht ein großes Risiko für die Programmkosten und Zeitpläne, weil ICs nicht die für das Programm erforderlichen Ergebnisse liefern und häufig erhebliche Schwankungen beim Produktscreening aufweisen. Dieses Vorgehen ist also sehr riskant, und es ist schwierig, Kostenaufschläge für das Up-Screening von Standardprodukten vorherzusagen, mit denen Unternehmen nicht vertraut sind.

Wie lassen sich bestimmte Anforderungen in Bezug auf Technik, Strahlung und Wettbewerbsvorteile erfüllen und durch den Zugang zu kommerziell vergleichbaren Leistungen ausgleichen sowie gleichzeitig die Kosten im Einklang mit dem Geschäftsmodell für ein Satellitenprogramm in einer großen Konstellation halten? Da die elektrische Systemleistung eines Satelliten auf den ausgewählten Komponenten basiert, sollte der Komponentenhersteller einen Kompromiss für diese Kriterien finden. Sie stehen im Zentrum der IC-Innovation und sind diejenigen, die am besten über eine bestimmte Komponente und die Technologie, auf der sie aufgebaut ist, Bescheid wissen. Obwohl dies in der Theorie gut klingt, konzentrieren sich viele Komponentenhersteller trotz der höheren Volumenpotenziale auf andere Produkte mit höheren Stückzahlen. Sie zögern, diesen Kundenkreis umfassend zu unterstützen oder haben oft einfach nicht das Know-how dafür. Beispielsweise wissen einige IC-Hersteller weder, ob ihr Baustein die erforderlichen Strahlungsanforderungen erfüllt, noch ob er diese erfüllen könnte.

Strahlungstoleranter IC-Fertigungsprozess

Hersteller mit nötigem Wissen und Know-how für die Unterstützung des neuen Smallsat-Marktes arbeiten daran, sich in diesem fragmentierten Markt zurechtzufinden und Wege zu finden, sich dort ohne dramatische Änderungen ihrer Geschäftsmodelle zu engagieren. Trotz entsprechender Bemühungen der Branche in den letzten Jahren gibt es in diesem Bereich keine klar umrissenen branchenspezifischen Spezifikationen oder Qualitätsstandards zur Definition einer Lieferantenbasis. Angesichts dieses sich abzeichnenden Bedarfs und der Konvergenz der Anforderungen an größere Satellitenkonstellationen im höheren LEO entschloss sich Renesas zu einer noch intensiveren Zusammenarbeit mit den Anwendern. Dadurch hat Renesas einen kosteneffektiven, strahlungstoleranten Produktentwicklungs- und Fertigungsprozess für diesen neuen Bedarf an kleinen Satelliten geschaffen. Das Ergebnis ist eine neue Produktfamilie in oberflächenmontierbaren Kunststoffgehäusen mit kleinem Formfaktor, deren Anschlüsse typischerweise mit Nickel/Palladium/Gold-Silber-Anschlüssen (Ni/Pd/Au-Ag) beschichtet sind (Bild 2).

Darüber hinaus handelt es sich bei den verwendeten Leadframes um aufgeraute uPPF-Leadframes, die das Risiko einer De-Laminierung verringern. Die strahlungstoleranten Bauelemente nutzen Bonddrähte aus Gold anstelle von Kupfer. Als Montagestandorte wurden Montagelinien für die Automobilindustrie in Südostasien gewählt. Dies ist wichtig, da die Automotive-Montagelinien im Vergleich zu solchen für Nicht-Automotive-Produkte tendenziell höhere Qualitätssicherungsstandards aufweisen.

Diese ICs durchlaufen während der Entwicklung eine einmalige Charakterisierung für eine TDI (Total Ionizing Dose) von bis zu 300 Gy (30 krad, Si), SEE (Single Event Effects) mit einem linearen Energietransfer (LET) bis zu 43 MeV und einen militärischen Temperaturbereich von -55 °C bis +125 °C. Die Qualifizierung dieser Bausteine erfolgt wie bei AEC-Q100 mit Tests bis zu 2000 Stunden Burn-In, 500 Temperaturzyklen und Tests zur Feuchtigkeitsempfindlichkeit der Gehäuse. Dieser Entwicklungs- und Fertigungsablauf unterscheidet sich deutlich von dem für herkömmliche strahlungsfeste Produkte, die große Keramikgehäuse, Strahlungssicherheitstests im Produkt-Screening-Flow und Temperatur- und Burn-In-Tests für jedes Bauteil in der Produktion umfassen, was die IC-Kosten in die Höhe treibt.

Um diese Komponenten weiter zu differenzieren und den Anwendern einen Mehrwert zu bieten, setzt Renesas auf die Fertigung und Montage an einem einzigen Standort. Dies ist für Strahlungstests von entscheidender Bedeutung, da verschiedene Fertigungsstätten unterschiedliche Strahlungsleistungsniveaus haben können. Die Nutzung mehrerer Produktionsstandorte würde laufende Strahlungssicherheitstests erfordern, was die Kosten in die Höhe treibt. Diese Bauelemente verfügen auch über Änderungsmanagement und Anzeigeverfahren, wie bei den Bauteilen der Klasse V. Bei jeder Änderung des Produktionsstandorts, Montageorts oder an den bei der Herstellung des Produkts verwendeten Materialien erhalten Anwender eine Benachrichtigung.

Katastrophale Single Event Effects vermeiden

Bild 4: Die strahlungstoleranten Bauelemente ISL71043M, ISL71040M, ISL71610M und ISL70024SEH in einer Halbbrücken-Leistungsstufe. Sie verbinden die Leistung kommerzieller Produkte mit den Anforderungen an Satellitenkonstellationen.

Bild 4: Die strahlungstoleranten Bauelemente ISL71043M, ISL71040M, ISL71610M und ISL70024SEH in einer Halbbrücken-Leistungsstufe. Sie verbinden die Leistung kommerzieller Produkte mit den Anforderungen an Satellitenkonstellationen. Renesas

Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Single Event Effects (SEE) und des damit verbundenen potenziellen Energieniveaus dieses Ereignisses oder Teilchens ist in einer erdnahen Umlaufbahn (LEO) geringer als bei einer geostationären Umlaufbahn (GEO). Trotzdem ist dies bei einer großen Satellitenkonstellation in einer Höhe nahe des Van-Allen-Gürtels oder beim Eintritt in diesen immer noch besorgniserregend. Bei ICs mit umfangreichem digitalem Inhalt, wie etwa einem Mikroprozessor, ist ein SEE typischerweise kein katastrophales Ereignis, so dass die Stromversorgung oder softwarebasierte Korrekturen das Problem in der Regel beheben.

Bei Bauteilen, die den Mikroprozessor mit Strom versorgen oder Sensordatensignale für den Mikroprozessor verarbeiten, liegt der Fall anders. Je nach Herstellungsprozess kann ein Bauteil bei einer bestimmten Nennspannung ein gewisses Maß an Robustheit gegenüber zerstörerischen Ereignissen aufweisen. Besonders interessant wird es bei einem SET (Single Event Transient) oder einem SEFI (Single Event Functional Interrupt). Wenn ein Leistungselektronik-Bauelement oder ein Operationsverstärker von einem Schwerion oder einem Teilchen so getroffen wird, dass sich ihr Ausgang bei einem transienten Ereignis auf inakzeptable Werte ändert, dann kann das mit dem Ausgang verbundene Bauteil wie ein Mikroprozessor potenziell beschädigt oder zerstört werden. In einigen Fällen kann dies einen Missionsausfall für den gesamten Satelliten bedeuten.

Im besten Fall kann es zu einer Unterbrechung des Ausgangs kommen, was ein Ein- und Ausschalten des Systems erfordern würde und zu einer Störung des betreffenden Satellitenabschnitts führen könnte. In dem betreffenden IC lassen sich solche Ereignisse vorausschauend in der IC-Entwicklung entschärfen. Bei typischen kommerziellen Bauteilen gehört dies in der Regel nicht zu den primären Überlegungen eines IC-Entwicklers. Hier ist es nicht notwendig, seine Arbeit damit zu belasten und möglicherweise die Leistung und Größe des Bauteils zu beeinträchtigen.

Diese Ereignisse stehen im Widerspruch zum Ziel, äußerst wettbewerbsfähige kommerzielle Komponenten zu entwerfen und auf den Markt zu bringen. Die Quintessenz lautet daher: Es ist also einfacher, mit einem COTS-Digital-IC für LEO-Weltraumanwendungen zu bestehen. Dies ist bei analogen oder analogen Mixed-Signal-ICs nicht der Fall. Diese Herausforderungen lassen sich zwar mit Verfahren auf Systemebene überwinden, wodurch sich die Systemkomplexität im Design, die Produktionsimplementierung, die Analyse und die Herstellung sowie Beschaffung erhöht. All dies kann die Kosten des Satelliten oder des Programms in die Höhe treiben.

Darüber hinaus können sie die Größe, das Gewicht und die Leistung (SWaP) der Systemlösung erhöhen. Dies steht in direktem Widerspruch zu den Zielen eines leistungsstarken, kostengünstigen Kleinsatelliten. Bild 3 zeigt, was mit einem kommerziellen Spannungsregler bei einem SEE-Test passiert. Die nominale Ausgangsspannung ist auf 2 V eingestellt. Sobald ein Schwerion einen Baustein trifft, kommt es zu einer signifikanten Transiente, die SEFIs erzeugt. Noch problematischer sind jedoch die Fälle, in denen die Ausgangsspannung über einen längeren Zeitraum auf mehr als 2,5 V ansteigt. Tests haben zwar gezeigt, dass das Bauteil den Schwerionenbeschuss übersteht, das nachgeschaltete Bauteil, das mit Strom versorgt wird, jedoch nicht.

Trend IC im Kunststoffgehäuse

Renesas hat drei erste strahlungstolerante ICs im Kunststoffgehäuse entwickelt und auf den Markt gebracht. Hierzu zählen der 3,3-V-CAN-Transceiver (Controller Area Network) ISL71026M, der 40-V-Vierfach-Präzisions-Operationsverstärker ISL71444M mit Rail-to-Rail-Eingang und -Ausgang (RRIO) und der 6-A-POL-Spannungsregler (Point-of-Load) ISL71001M (siehe Bild 2). Der ISL71026M und der ISL71444M sind in einem oberflächenmontierbaren TSSOP-Gehäuse und der ISL71001M in einem oberflächenmontierbaren QFP-Gehäuse erhältlich.

Kürzlich hat Renesas weitere Produkte für Stromversorgungsdesigns in diesem strahlungstoleranten Produktionsprozess vorgestellt. Dazu gehören der Low-Power-Single-Ended-PWM-Controller ISL71043M, der Low-Side-GaN-FET-Treiber ISL71040M und die digitalen GMR-basierten Isolatoren ISL71610M/ISL71710M mit passiven oder aktiven Eingängen. Der ISL71610M/ISL71710M lässt sich auch für isolierte serielle Kommunikationsbusse wie CAN, RS-422 und RS-485 nutzen. Bild 4 zeigt den ISL71043M, ISL71040M, ISL71610M und ISL70024SEH in einer Halbbrücken-Leistungsstufe.

Diese Bauteile verbinden die Leistung kommerzieller Produkte mit zuverlässigen Gehäusen und der Strahlungsleistung, die für Satellitenkonstellationen benötigt wird. Dank ihrer Kosteneffizienz lassen sich die Programmrisiken drastisch minimieren. Diese Produkte vereinfachen die Arbeit des Elektronikentwicklers bei der Auslegung neuer, fortschrittlicher Schaltungen für New-Space-Anwendungen und für große Satellitenkonstellationen erheblich.

Renesas ist seit mehr als 50 Jahren in der Satellitenindustrie tätig und weiß um die entscheidende Bedeutung langfristiger Lieferkontinuität. Das Unternehmen setzt alles daran, um Produktabkündigungen zu vermeiden. In sehr seltenen Fällen wird ein solides End-of-Life-Beschaffungsprogramm angeboten. Der Hersteller unterstützt die Anwender mit einem ausgewogenen Ansatz bei der Erfüllung ihrer Programmanforderungen. Neben den Programmen für große Satellitenkonstellationen eignen sich diese Bauelemente auch bestens für andere Anwendungen wie Trägerraketen, medizinische Geräte, Höhenavionik und Kernkraftwerke.