太空中的電子產品可靠度：輻射硬化設計的模擬應用

四月 02, 2025

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Aliyah Mallak | Ansys 企業溝通經理

太空是一個極端惡劣的環境。那裡沒有可呼吸的空氣，輻射劑量約為地球的 15 倍，溫度約為 2.7 開爾文 (即攝氏 -270.45 度或華氏 -454.81 度)。所幸地球的大氣層在保護我們免受這些極端條件影響方面發揮了極大作用。但在太空中，由於沒有大氣層，也就沒有任何屏障能保護衛星與其他太空船免於承受劇烈的輻射與溫度變化。太空的嚴苛環境會影響太空船的多項組件，包括電力電子元件、導航與定位系統，以及通訊設備 — 這些都是關鍵功能。由於許多太空船是無人載具，一旦發生故障，幾乎不可能進行維修。因此，為了防止任務失敗，電子元件的高可靠度是不可妥協的要素。模擬解決方案能協助設計團隊打造強固的太空平台，並藉由精確模擬各類儀器、材料與軌道目標，提高這些高成本計畫在長期運行中的成功機率。

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銀河 X 射線

如同人類，太空船上的系統也會受到短期與長期輻射暴露的影響。

短期影響：單一事件效應 (SEE) 是由單一高能粒子引發的電子干擾現象。
長期影響：總電離劑量 (TID) 是指由不同輻射源，包括電子、質子、重離子、X 射線與伽瑪射線，所累積下來的整體輻射劑量。

最常見的輻射來源包括：地球磁場中困住的粒子、太陽閃焰期間的太陽粒子事件 (SPE)，以及銀河宇宙射線 (GCR)。這些粒子的電離效應會對太空船的電子系統造成嚴重影響。粒子會導致電荷在太空船表面積聚，且由於太空船無法接地，這些電荷無法釋放。當電荷累積時，會在太空船表面產生電場。若電場強度超過空氣、電漿或絕緣材料的擊穿電壓，就會引發靜電放電 (ESD)。研究指出，大約有一半的太空船異常情況是由太空船帶電效應所造成。

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表面帶電風險評估

表面帶電是材料對外部輻射作用 (如周遭帶電粒子、光照激發與摩擦帶電) 的反應所產生的現象。材料對帶電效應的反應取決於其自身的物理性質。由此產生的光電子、次級電子、反彈電子與質子誘發電子會與電場互動，進而形成電漿鞘層。

以前往月球為例，太空船在傳輸軌道期間會遭遇不同程度的表面帶電效應。靜止軌道 (GEO)、低地球軌道 (LEO)、極軌、極光軌道與月球軌道，各自有其不同的電漿環境，並已納入設計規範標準中。太空船表面電荷的累積程度，會受到幾個因素影響，包括幾何形狀、陰影遮蔽、材料性質、電漿條件或摩擦帶電的幅度。

Ansys Charge Plus 電磁帶電與放電模擬軟體會結合多項材料參數，以追蹤太空船表面與外部環境之間的電荷平衡。其質點網格 (PIC) 求解器與邊界元素方法(BEM) 的結合，使工程師能分析太空船的電荷分布、電漿狀態分布，以及繪製電子分布圖。若進一步透過全波有限元素法 (FEM) 電磁場分析來模擬表面帶電，工程師便能計算太空船周圍的三維電場，並獲得更多關於電漿放電風險的資訊。

材料本體內部帶電

內部介電帶電是由於太陽帶電粒子 (或高能光子) 與太空船體材料交互作用所造成。這些粒子可能來自太陽閃焰的加速，或是地球磁場加速後的粒子，例如存在於范艾倫輻射帶或極區的粒子。這些粒子沉積於材料內部，所產生的電荷會激發電場，進而可能導致介電擊穿。透過模擬電荷沉積的速率與強度，工程師可以改良輻射硬化設計、評估 ESD 風險，並模擬帶電粒子對電子元件所引發的感應電流。

在電漿能量足以導致材料深層帶電的環境中，工程師特別關注電荷是否會在敏感元件內部累積，這些元件包括太陽能電池、感應器和裸露的纜線或連接器。為了評估介電材料中發生 ESD 的風險，工程師可使用來自 Ansys Systems Tool Kit 的太空環境與效應工具 (STK-SEET) 輸出的高能頻譜資訊，再結合 Charge Plus 軟體，以 3D 粒子傳輸模擬工具配合全波 FEM 解決方案，在時間域中求解電磁行為。透過此方法，工程師可監測因粒子與材料互動所引發的電位、電場、電荷和感應電流。這些粒子可以作用於各種幾何構型，其能譜可以是時間變化的，也可以同時模擬多種類型的帶電粒子。

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太陽能電池的固體介電擊穿

當系統內累積過多電荷時，所產生的電場可能超過該介質的擊穿強度，導致放電現象。這些放電可能發生在太空船與電漿之間、導體之間 (經由電漿或空氣)，或直接在絕緣體/介電材料內部。最嚴重的情況下，若太空船接地設計不佳，這些放電可能引發次級電弧。此外，ESD 會產生電磁輻射，可能會損壞通訊系統。

舉例來說，如果一條連接敏感電子設備的纜線上累積了過多電荷，就可能產生感應電流，進而損壞儀器。在某些情況下，因設計限制，工程師可能需要接受太空船內部少量的初級電弧現象。而在另一些情況下，原本為某種特定輻射環境 (如 LEO) 設計的系統，可能需要重複使用於更惡劣的環境 (如 GEO)。

為了模擬介電材料擊穿，Charge Plus 軟體結合了全波電磁場求解器與隨機擊穿樹模型，用以根據電場強度、材料的介電強度與鄰近節點的耦合強度，計算擊穿機率。這個機率分布會在每一個 FEM 網格節點、每一個時間步進下進行評估。

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這是輻射硬化

模擬技術能讓工程師預測太空中電子元件的行為，但這不代表元件就能完全免疫輻射效應。然而，透過模擬，工程師能夠設計並測試具備輻射硬化 (Rad Hard) 能力的電子組件。Charge Plus 軟體使用蒙地卡羅三維粒子傳輸技術與 FEM，在模擬過程中追蹤粒子通量，並以電場作為傳輸問題的回饋機制。這使工程師能夠評估不同金屬厚度對輻射穿透的防護效果。進而設計出兼顧太空船重量與輻射防護強度的最適金屬厚度。