Der Weltraummarkt war bisher großen Verteidigungsunternehmen und nationalen Regierungen vorbehalten. Sie waren dazu berechtigt, eine Unternehmung über die Grenzen ihrer terrestrischen Heimat hinaus zu betreiben. Mit dem kommerziell orientierten Paradigmenwandel nimmt auch die Entwicklung von Bauelementen und Systemen für den Weltraumeinsatz Fahrt auf. Diese sollen künftig die Größe und Leistungsfähigkeit von Weltraumfahrzeugen für alle Anwender dramatisch verändern.

Einsatz im Low Earth Orbit

Beispiel für eine miniaturisierte Satelliten-Plattform, bei der PEMs (plastic encapsulated modules) zum Einsatz kommen.

Beispiel für eine miniaturisierte Satelliten-Plattform, bei der PEMs (plastic encapsulated modules) zum Einsatz kommen. Analog Devices

Vielversprechende kommerzielle Unternehmen füllen die Nachrichten mit Berichten über riesige Investitionen in die Weltraumtechnologie. Investitionen von bis zu einer Milliarde US-Dollar gehen in den Einsatz von erdnahen Satelliten (LEO, low earth orbit), um die Menschen auch in den entlegensten Winkeln der Erde miteinander zu verbinden. Eine weitere Methode die Internet-Verbindung zu verbessern sind hochfliegende, unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs, unmanned aerial vehicles). Diese Systeme benötigen mehr integrierte Bauteile, um kleinere, leichtere Plattformen zu bauen.

Damit ist klar, dass die Nachfrage nach Innovationen bei Produkten für den Weltraumeinsatz noch nie höher war. Analog Devices (ADI) hat eine lange Historie für das Geschäft mit Weltraumanwendungen und setzt auf Qualität, Zuverlässigkeit und Robustheit gegenüber den zerstörerischen Auswirkungen von Strahlung im Weltraum. Das Portfolio bietet eine Strahlungsfestigkeit bis über 1 kGy, weshalb sich die Bauelemente auch für die härtesten Ansprüche im Orbit eignen.

ICs für den kommerziellen Markt in Weltraum-qualifizierte Produkte zu überführen ist sehr komplex und zeitaufwendig. Die überwiegende Anzahl der aktuellen ICs wird in BiCMOS-Prozessen gefertigt, die die Möglichkeit eröffnen, das Beste aus der bipolaren und der CMOS-Fertigungstechnologie miteinander zu kombinieren. Aus Sicht der Strahlungsfestigkeit erfordern es diese BiCMOS-Bausteine jedoch, die Effekte sowohl der Gesamtdosis ionisierender Strahlung (TID, total ionizing dose) als auch der Auswirkung von singulären Effekten (SEEs, single event effects) zu charakterisieren und abzumildern. Dies verlängert die Entwicklungszeit für neue Produkte gerade jetzt, in einer Situation, in der neue Produkte schneller auf den Markt gelangen sollen.

Gehäuse als Schlüsseltechnologie

Eck-Daten

Weltraumtaugliche Elektronik muss hohen Anforderungen an Strahlungsfestigkeit, Größe und Gewicht entsprechen. Um kommerzielle Bauelemente fit für den Weltraum zu machen, kommt es unter anderem auf die geeignete Gehäusetechnologie an. Hier sind häufig teure und zeitaufwendige Neuentwicklungen notwendig. Geschieht diese Entwicklung beim Elektronik-Hersteller selbst, lässt sich die Time-to-Market deutlich verkürzen – und mit anwenderspezifischen Designabläufen unterstützt der Hersteller die Entwickler: von Bereitstellung der Bauelemente über Strahlungstests bis hin zur umfangreichen Los-Qualifikation.

Ein weiterer Faktor, der die Entwicklung von Produkten beflügelt, ist die Gehäusetechnik. Viele Bauelemente verlangen nach einer speziellen Gehäusetechnologie, um ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern. In einigen Fällen wird die Überführung eines kommerziellen in ein für den Welttraumeinsatz geeignetes Bauelement undurchführbar, wenn seine Funktionsfähigkeit direkt mit dem bestehenden, nicht hermetisch dichten Gehäuse zusammenhängt. Probleme entstehen hier vor allem über zusätzliche parasitäre Effekte, die die Entwicklung eines komplett neuen, hermetisch dichten Gehäuses erfordern. Die kann außerdem eine kostenintensive Neuentwicklung des Post-Package-Trim oder die Beschaffung neuer, komplexer Testsysteme und Handler nach sich ziehen.

Aber es sind auch noch andere Kräfte am Werk, die es erlauben, hochentwickelte Produkte schneller zu realisieren. Die erste ist, dass die Anforderungen an die Gesamtdosis ionisierender Strahlung für LEO geringer sind als die in traditionellen Orbits, sodass es hier akzeptabel ist, wenn ein Bauelement nur 300 bis 500 Gy verkraftet. Die zweite ist ein stark aufkommender Einsatz von PEMs (plastic encapsulated module) in der Raumfahrt, eine Idee, die bis vor Kurzem von EEE-Bauteil-Managern und Ingenieuren als völlig unmöglich erachtet wurde. Diese Entwicklung ist zwar alles andere als simpel, aber sauber durchgeführt und von den Weltraumunternehmen akzeptiert, öffnet diese Technologie die Türen für wesentliche Verbesserungen bezüglich Leistungsfähigkeit hinsichtlich Abmaßen, Gewicht und Energiebedarf (SWaP = size, weight and power) der Elektronik für das Raumfahrzeug.

Plastic Encapsulated Modules

Qualität und Zuverlässigkeit bei der Herstellung von weltraumspezifizierten PEMs ist hierbei wesentlich. Die wichtigsten globalen Raumfahrtbehörden haben bereits vor längerer Zeit Spezifikationen für die nachträgliche Bearbeitung von PEMs definiert, damit sie sich für den Weltraumeinsatz eignen. Viele Weltraumunternehmen haben sich jedoch wegen ihrer inhärenten Risiken und Prozessunsicherheiten wie Nachverfolgbarkeit der Lose, Gültigkeit der Strahlungstests, Testprogramm-Korrelation und fehlender Garantie und Unterstützung des Herstellers lange dem Einsatz von PEMs widersetzt. Es ist teuer und zeitaufwendig die entsprechenden Tests durchzuführen und das Risiko für einen Los-Fehler zu tragen, der den Entwickler zwingt, den Prozess mit einem anderen Bauteil erneut zu starten, Abschirmungen oder andere Störminderungstechniken hinzuzufügen, was in zusätzlichen Kosten und Gewicht resultiert. Wenn Hersteller wie ADI weltraumgeeignete PEM-Produkte liefern, sind diese Risiken deutlich geringer.

Drei anwenderspezifische Designabläufe

Der Produkt-Lebenszyklus bei ADI: Für die Weiterentwicklung des Weltraum-Produktportolios ist der Hersteller auf Inputs der Entwickler angewiesen.

Der Produkt-Lebenszyklus bei ADI: Für die Weiterentwicklung des Weltraum-Produktportolios ist der Hersteller auf Inputs der Entwickler angewiesen. Analog Devices

Um diese Anforderungen zu erfüllen, stellt ADI ein neues Portfolio an kommerziellen Weltraumprodukten vor. Dieses Portfolio bietet drei markante Designabläufe an, die auf unterschiedliche Anwender-Anforderungen abzielen, abhängig von der Anzahl der Satelliten, die diese in Umlauf bringen. Der einfachste Ablauf ist für rein kommerzielle Anwender gedacht, die nach Großserien für den Weltraumeinsatz suchen und selbst speziellen Support zur Strahlungssicherheit bieten. Das mittlere Niveau ist ein optimierter Ablauf, der zusätzliche Strahlungstests, Screening und Los-Qualifizierung bietet. Diese beiden Designabläufe befriedigen die meisten Bedürfnisse der kommerziellen Anwender.

Der umfassendste Designablauf kombiniert ein erweitertes Qualitäts- und Zuverlässigkeits-Screening und die Qualifizierung mit der Charakterisierung und Sicherstellung der Strahlungsfestigkeit. Dieser kombinierte Ablauf enthält die Strahlungscharakterisierung sowohl für TID als auch SEE sowie auch die Los-Qualifikation für TID. Die erforderliche Arbeit ist umfangreich und die Stückpreise müssen dies widerspiegeln. Und auch die Vorteile bezüglich Leistungsfähigkeit sowie Reduzierung von Abmaßen, Gewicht und Energieverbrauch rechtfertigen – verglichen mit bestehenden weltraumqualifizierten Produkten und gekoppelt mit der Sicherstellung der Qualität und Strahlungsfestigkeit – die Kosten.  Das Resultat ist eine höhere Leistungsfähigkeit des Raumfahrzeugs zu insgesamt niedrigen Kosten als zuvor.

Entwickler-Input dringend gesucht

Nicht in jeder Weltraummission lassen sich PEM-Bauteile einsetzen. Deshalb entwickelt ADI auch weiterhin genauso fortschrittliche Bauelemente für den Einsatz in hermetisch dichten Gehäusen, mit denen sich die erwähnten Herausforderungen bezüglich der Gehäuse handhaben lassen. Hierfür ist der Hersteller auf Inputs der Anwender angewiesen: welche Produkte beeinflussen die SWaP und Leistungsfähigkeit des Raumfahrzeugs am stärksten? Dies können kleine Reduzierungen sein, multipliziert mit vielen Einsätzen in einem Raumfahrzeug oder Produkte, die viele Funktionen und Schutzmechanismen in eine einzige Komponente mit wenigen Eigenschaften integrieren. ADIs künftige Produktentwicklung wird zum großen Teil von den Bedürfnissen der Anwender beeinflusst.