Kunststoff-ICs für kleine Satelliten-Konstellationen

Wer sich in letzter Zeit mit der Raumfahrtindustrie befasst hat, konnte viele neue Aktivitäten beobachten. Mit Missionen zu Mars, Jupiter, Asteroiden und mit Innovationen in Satelliten- und Trägerraketentechnologie steht die Raumfahrtindustrie wieder in den Schlagzeilen. Seit Beginn der Weltraumerkundung 1957 mit Sputnik und dem ersten bemannten Weltraumflug 1961 gab es nicht mehr so viel öffentliches Interesse und Begeisterung in der Branche wie heute. 50 Jahre später zeichnet sich mit kleinen Satelliten im LEO (Low Earth Orbit) eine neue Innovationswelle ab, die jedem Erdbewohner Zugang zu WiFi und Mobilfunk bringen soll.

Diese Aktivitäten haben die Aufmerksamkeit von Venture-Capital-Firmen und Investoren auf sich gezogen, die früher nie etwas mit der Raumfahrtindustrie zu tun hatten. Die ersten Starts von einigen hundert kleinen Satelliten waren nur mäßig erfolgreich und schufen einen fragmentierten Markt. Missionen reichten von Volksschulprojekten und wissenschaftlichen Experimenten über technische Machbarkeitsstudien bis zu einer echtzeitnahen Erdbilderfassung.

All dies ändert sich jedoch mit der Entwicklung großer Konstellationen, bestehend aus Kleinsatelliten sowie mit den fokussierten Anstrengungen herkömmlicher Satellitenhersteller, Breitband-Internetverbindungen in jedem Winkel der Erde bereitzustellen. Große Halbleiterhersteller arbeiten aktiv daran, wie sie dieses neue Kundenfeld mit ausgeklügelten Konzepten und innovativen Geschäftsmodellen abdecken können. Der Artikel wirft einen genaueren Blick auf diesen neu entstehenden Markt für Kleinsatelliten-Konstellationen und erklärt, warum Hersteller von den herkömmlichen strahlungsfesten Bauteilen Abstand nehmen, die in den vergangenen 50 Jahren in der Raumfahrt zum Einsatz kamen. Darüber hinaus erörtert der Beitrag, wie Hersteller von elektronischen Bauteilen mit diesem potenziell disruptiven Markt umgehen und vergleicht neuartige strahlungsresistente Kunststoff-ICs mit den handelsüblichen, heute erhältlichen Standard-ICs (COTS, commercial of-the-shelf).

GEO- und LEO-Satelliten im Vergleich

Bild 1: Eine miteinander verbundene Satelliten-Konstellation, bestehend aus Kleinsatelliten, ermöglicht den weltweiten Internetzugang. Renesas

In der Satellitenindustrie nimmt die Diversifizierung zu. Herkömmliche Satelliten haben meist eine lange Missionslebensdauer (15 bis 20 Jahre) und sind für die unterschiedlichsten Umlaufbahnen, wie beispielsweise die geostationäre Umlaufbahn (GEO), sowie den Weltraum konzipiert. Sie sind für hohe Strahlungspegel ausgelegt und müssen strengsten Zuverlässigkeits- und Qualitätsanforderungen genügen. Demgegenüber bewegen sich Kleinsatelliten im LEO unterhalb des Van-Allen-Strahlungsgürtels, was die meisten destruktiven Partikel abschirmt. Für diese Satelliten sind die Anforderungen an die Strahlungsfestigkeit, Zuverlässigkeit und Qualität geringer. Bild 1 zeigt hunderte von miteinander verbundene Kleinsatelliten, die ein LEO-Konstellationsnetzwerk bilden.

Die große Kluft zwischen diesen beiden grundlegenden Satellitenklassen verringert sich zunehmend. Zukünftige große, für den höheren LEO geplante Konstellationen sowie größere Satellitenfunktionalität senken die Betriebskosten. Dies erfordert mehr Satelliten mit geringfügig längerer Missionslebensdauer (etwa fünf Jahre), höhere Umlaufbahnen (1100 bis 1300 km), höhere Anforderungen an die Strahlungsbelastung und strengere Zuverlässigkeits- und Qualitätsanforderungen.

Welche Herausforderungen der Einsatz von COTS mit sich bringt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Herausforderung beim Einsatz von COTS

Weil diese großen Konstellationen anspruchsvollere technische Anforderungen haben als bisherige Kleinsatelliten, wirkt sich dies auch auf die IC-Stückzahlen aus. Auch wenn der elektronische Funktionsumfang pro Satellit kleiner ist als bei größeren, herkömmlichen Satelliten, geht die schiere Anzahl an Kleinsatelliten und Bodenstationen mit einem wesentlich größeren Stückzahlen-Potenzial pro Produkt einher. Ein derartiges Potenzial gab es noch nie und lässt geringere Bauteilkosten erwarten. Selbst wenn sich die Anforderungen an Technologie oder Strahlungsbelastung weniger streng als bei herkömmlichen Satelliten gestalten, sind die Herausforderungen großer Konstellationen nach wie vor mit erheblichen Kosten und Risiken verbunden.

Um die Kosten zu senken, geht der Trend in Richtung kommerzieller COTS-Bauteile, die gegenüber herkömmlichen strahlungsfesten Bauteilen erheblich weniger kosten. Hierfür wird ein Testplan aufgestellt, Tests durchgeführt und Ergebnisse gesammelt und analysiert. Meist summieren sich die Kosten für ausgelagerte Strahlungstests und elektrische Abschirmung schnell auf, weil die meisten IC-Hersteller nicht über die nötigen Voraussetzungen verfügen, um solche Arbeiten intern auszuführen. Der Aufwand an Mannstunden zur Erstellung eines Testplans, dessen Implementierung sowie die Analyse der erfassten Daten ist erheblich, weil diese Arbeit mit einer Lernkurve verbunden ist: Das zu prüfende Bauteil muss verstanden und Probleme beim Testaufbau sowie beim Umgang mit unerwarteten Testergebnissen müssen bewältigt werden.

Letztendlich ist das Risiko im Hinblick auf die Programmkosten und den Terminplan hoch, wenn das IC nicht die für das Programm erforderlichen Ergebnisse liefert oder wenn bei der Produktionsfreigabe eventuell erhebliche Ertragsschwankungen auftreten. Wie lässt sich den Anforderungen in punkto Technologie, Strahlungsbelastung und Diffenzierungsmerkmalen gegenüber dem Mitbewerber durch kommerzielle Leistung entsprechen – und gleichzeitig die Kosten im Rahmen halten?

Da die Leistung des elektrischen Systems eines gegebenen Satelliten auf den ausgewählten Komponenten beruht, sollte der Komponentenhersteller an der Lösung der beschriebenen Herausforderungen mitarbeiten. Der Hersteller hat die innovativen Funktionen seiner ICs konzipiert und weiß am besten über seine Bauteile und deren zugrundeliegende Technologie Bescheid. Selbst wenn dies in der Theorie einleuchtet, konzentrieren sich viele Komponentenhersteller trotz des Potenzials höherer Stückzahlen auf Geschäftsbereiche mit anderen hohen Volumina. Sie zögern, diesen besonderen Kundenstamm voll zu unterstützen, oder verfügen einfach nicht über das dafür nötige Know-how. Manche IC-Hersteller wissen beispielsweise nicht, ob ihr Bauteil die nötigen Anforderungen an die Strahlungsbelastung erfüllt – oder ob es diese Anforderungen erfüllen könnte.

Strahlungsresistenter IC-Fertigungsablauf

Bild 2: ICs im Kunststoff-SMT-Gehäuse mit Ni/Pd/Au-Ag-Lead-Finish. Renesas

Unternehmen mit dem entsprechenden Verständnis sowie den Fähigkeiten und der Erfahrung, um den Kleinsatelliten-Markt zu unterstützen, bemühen sich darum, diesen fragmentierten Markt zu verstehen und sich zu engagieren, ohne ihr eigenes Geschäftsmodell grundlegend ändern zu müssen. Es gibt in der Branche keinen klar definierten Satz an Spezifikationen oder Qualitätsstandards, der als gemeinsamer Nenner für die entsprechenden Lieferanten dienen könnte. Allerdings ist in der Branche dieser Bereich in den letzten Jahren wieder verstärkt in den Fokus gerückt. Angesichts der neuen Erfordernisse und Konvergenz der Anforderungen an größere Satelliten-Konstellationen im höheren LEO engagiert sich Renesas Electronics zunehmend in diesem Marktsegment. Renesas hat deshalb für diesen Bereich einen kosteneffizienten, strahlungsresistenten Produktentwicklungs- und Fertigungsablauf für die Anforderungen dieser Kleinsatelliten entwickelt. Als Ergebnis präsentiert das Unternehmen eine Produktfamilie in kompakten SMT-Kunststoffgehäusen mit Nickel/Palladium/Gold-(Ni/Pd/Au)-Lead-Finish (Bild 2).

Diese ICs erhalten in der Entwicklung einmalig eine Charakterisierung für eine Gesamtdosis ionisierender Strahlung (Total Ionizing Dose, TID) von bis zu 30 krad (Si), für Single-Event-Effekte (SEE) mit einer linearen Energieübertragung (LET) von bis zu 43 MeV und einen militärischen Betriebstemperaturbereich von -55 °C bis +125 °C. Die Bauteile erhalten außerdem eine der AEC-Q100-Norm ähnliche Qualifizierung mit Burn-in-Tests von bis zu 2000 Stunden, 500 Temperaturzyklen und Gehäuse-Feuchtigkeitsempfindlichkeitstests. Dieser Entwicklungs- und Fertigungsablauf unterscheidet sich deutlich von dem für herkömmliche strahlungsresistente Produkte: Diese besitzen große Keramikgehäuse und durchlaufen in der Produktion Strahlenschutztests sowie Temperatur- und Burn-in-Tests, was sich entsprechend in den IC-Kosten niederschlägt.

Auf der folgenden Seite erfahren Sie, welche Auswirkungen katastrophale Single-Event-Effekte auf die ICs im LEO und GEO haben.

Katastrophale SEEs vermeiden

Die Wahrscheinlichkeit von Single-Event-Effekten und das damit verbundene mögliche Energieniveau eines solchen Ereignisses oder Partikels dürfte auf einem LEO geringer sein als auf einem GEO, ist jedoch für eine große Satelliten-Konstellation in einer Höhe nahe bei oder im Van-Allen-Gürtel immer noch bedenklich. Für ICs mit großem digitalem Funktionsumfang, wie einem Mikroprozessor, ist ein SEE meist kein katastrophales Ereignis. Hier lässt sich das Problem oft durch Aus- und Einschalten der Versorgungsspannung oder Software-gestützte Korrekturen lösen. Womöglich ist das aber ganz anders bei einem Baustein, der den Mikroprozessor versorgt oder der Sensor-Datensignale für den Mikroprozessor aufbereitet.

Abhängig vom Herstellungsprozess kann der Baustein ein gewisses Maß an Stabilität gegenüber einem destruktiven Ereignis bei einer bestimmten Nennspannung besitzen. Besonders interessant wird es aber bei einer Single-Event-Transiente (SET) oder einem SEFI (Single-Event Functional Interrupt). Trifft ein schweres Ion oder ein Partikel einen Leistungselektronikbaustein oder einen Operationsverstärker derart, dass sein Ausgangssignal während eines Transienten-Events in unerwünschtem Maß gestört wird, kann dieser möglicherweise einen an seinem Ausgang angeschlossenen Baustein (zum Beispiel einen Mikroprozessor) beschädigen oder zerstören. In bestimmten Fällen kann dies den Ausfall einer Mission oder des gesamten Satelliten bedeuten.

Im besten Fall tritt eine Unterbrechung des Ausgangssignals auf, wodurch ein Aus- und erneutes Einschalten der Versorgungsspannung nötig wird, was eine Funktionsstörung des entsprechenden Satelliten-Abschnitts verursacht. In dem betreffenden IC lassen sich derartige Ereignisse nur durch Maßnahmen im IC-Design beheben. Um dieser Herausforderung zu begegnen, gibt es Techniken auf Systemebene. Diese erhöhen womöglich die Systemkomplexität des Designs, der Produktionsimplementierung, der Analyse, Fertigung oder Beschaffung, was wiederum die Satelliten- oder Programmkosten erhöht. Weiterhin können sie die Abmessungen, das Gewicht und den Energiebedarf der Systemlösung erhöhen, was direkt den Zielen eines Kleinsatelliten mit höherer Leistung zu günstigeren Kosten entgegensteht.

Neue Klasse strahlungsfester ICs

Bild 3: Typische Anwendungsschaltung mit einem ISL71026M 3,3-V-CAN-Transceiver. Renesas

Bild 4: Typische Anwendungsschaltung mit einem ISL71444M: Single-Supply, High-Side Current-Sense-Verstärker. Renesas

Bild 5: Typischer Einsatz eines ISL71001M zur Bereitstellung einer POL-Versorgungsspannung für ein FPGA. Renesas

Renesas stellt die drei ersten strahlungsfesten ICs in Kunststoffgehäusen aus eigener Entwicklung vor: den ISL71026M 3,3 V CAN-Transceiver (Controller Area Network), den ISL71444M 40 V Quad-Precision RRIO-Operationsverstärker (Rail-to-Rail Input-and-Output) und den ISL71001M 6 A POL-Spannungsregler (Point-of-Load), wie die Bilder 3, 4 und 5 zeigen. Der ISL71026M und der ISL71444M sind in einem TSSOP SMT-Gehäuse erhältlich, der ISL71001M kommt in einem SMT QFP. Alle diese Bausteine besitzen ein Ni/Pd/Au-Lead-Finish, um die Bildung von Zinn-Whiskern zu vermeiden.

Bild 6: Single-Event Transientenverhalten eines ISL71444M Vierfach-Operationsverstärkers. Renesas

Diese Bausteine sind ähnlich leistungsfähig wie kommerzielle Komponenten. Sie bieten zuverlässige Gehäuse und die erforderliche Strahlungsfestigkeit für kosteneffiziente Programme von Satellitenkonstellationen bei gleichzeitig deutlich minimierten Risiken. Bild 6 zeigt beispielsweise das sehr gute SET-Verhalten des Vierfach-Operationsverstärkers ISL71444M mit Ausgangs-Einschwingzeiten unter 3µs und einem LET von 43 MeV×cm²/mg nach einem schweren Ionen-Einschlag. Beim Einsatz dieses Operationsverstärkers muss sich der Anwender nicht mit Verbesserungen auf Systemebene befassen.

Weil Renesas schon seit über 50 Jahren in der Satellitenbranche aktiv ist, weiß das Unternehmen um die zentrale Bedeutung langfristiger Lieferkontinuität und schöpft alle Möglichkeiten aus, damit ein Produkt nicht veraltet. In sehr seltenen Fällen wird ein umfassendes End-of-Life-Beschaffungsprogramm angeboten. Neben Programmen für große Satellitenkonstellationen eignen sich diese Produkte auch bestens für andere Anwendungen wie Trägerraketen, medizinische Geräte, Avionik für große Flughöhen sowie Kernkraftwerke.

(na)