混合電路和模組技術簡史
50 多年來,混合電路和模組技術一直在發展,現在,模組採用了 COTS (商用現成有售) 形式,為縮短設計週期、減輕過時淘汰問題以及應對 SWaP (尺寸、重量和功率) 挑戰做出了重大貢獻。我們來回顧一下這種技術的發展歷史,
1早期的混合電路
上世紀 50 年代後期,運用分立式電晶體的計算領域取得了巨大進步,但是電路板變得日益複雜了,有時有數千個互連的電晶體、二極體、電阻器和電容器。因此,需要一種解決方案來提高密度和可靠性。政府機構為嘗試各種混合電路理念提供了資助。
在這一領域,軍方興趣濃厚,
儘管價錢很高,但是 RCA 的微型模組非常成功,不過生命很短,積體電路 (IC) 的誕生無疑促成了這種模組讓位。早期 IC 的價錢是混合式解決方案的 9 倍,這些 IC 常常是軍方或政府資助項目的受益者,1962 年的一個著名項目是,雷神 (Raytheon) 公司為美國航空航天局 (NASA) 建造的“阿波羅制導電腦 (Apollo Guidance Computer)”。
隨著 IC 的迅速發展,人們不久就認識到 IC 相對於混合電路和模組的優勢。從這方面來看,
2集成
在本文涵蓋的這段時間,ASIC 技術帶來了行業革命。最初,數百個門的閘陣列為軍方提供了一條提高數位化集成度的途徑,
3性能
軍用和航空航太系統一般是以模組化子系統為基礎設計的。例如,現場可更換單元 (LRU) 簡化了服務和運行支援。LRU 互連依靠 MIL-STD-1553 匯流排界面等標準。用混合電路、模組、ASIC 巨集或在標準格式的電路板上實現這些功能已經成為首選方法,實際上,它們就是專用標準產品 (ASSP) 和基本構件。
這凸顯出兩個重要因素。首先,無謂的重新發明是沒有什麼可取之處,而且讓設計師專注于系統的核心智慧財產權才是更有效的用人方式。其次,按照如今的標準,軍事和航空航太業是半導體的小用戶,與開發單片 IC 級 ASSP 相比,開發模組或電路板級解決方案是更加現實的主張。
傳統上,電源模組的性能要求也很好地與混合模組技術保持了一致,這種技術所使用的密封金屬罐封裝滿足高溫、高可靠性軍事應用的功率密度和熱量管理需求。隨著大型 FPGA 和微處理器的電源要求越來越高,對更高效的電源架構和負載點 (POL) 調節的追求已經導致出現了新的模組解決方案。
長久以來,雷達等應用也一直依靠混合電路和模組實現 RF 和微波解決方案。只是近年來,才出現了開始滿足這類需求的單片 IC 產品,但是現在,新式高度平行的相控陣雷達再次將注意力集中到模組解決方案上。
4安全性
產品過時淘汰對軍工業而言是個非常嚴重的問題。30 到 50 年的項目壽命很常見,因此軍事和航空航太設備供應商不斷尋求降低風險的方式。混合電路和模組一直是一種嘗試隔離國防行業與半導體行業快速變化的方法。記憶體模組是一個引起興趣的特定領域,因為 DRAM 和 SRAM 技術的壽命尤其短。可以保持標準外形尺寸和引腳佈局的概念,同時可以更新模組內的記憶體晶片。這件事寫起來比實際做起來容易得多,部分是因為,在存取時間、架構和電源電壓方面不斷取得進展。另一方面,如果空間允許,使用標準格式的嵌入式處理器板卡可提供一種更高級的方法。不過標準外形尺寸的概念是很多過時淘汰管理戰略的核心,無疑也是影響混合電路和模組解決方案壽命長短的一個主要因素。
混合電路和模組也有優勢,因為全定制模組可用來隱藏與硬體設計有關的寶貴的智慧財產權,使逆向工程更加難以實現。僅查看封裝上的器件數量不足以對硬體設計解碼。此外,有些半導體晶片也不容易在公開市場上買到。
5從全定制到如今的 COTS
之前關於在軍用系統中繼續使用混合電路和模組的觀點仍然有效。不過,重要的是要認識到,軍用設備製造商面臨的商用壓力比以往任何時候都大,尤其是成本和上市時間。
全定制混合設計價錢昂貴,要用相對較長的時間開發。可替代的單片 IC 解決方案正在逐年增多。儘管大型國防公司仍然開發新的混合設計,但是隨著產量下降,可察覺到出現了製造外包趨勢。
COTS 模組的情形則完全不同。在技術和商用因素的驅動下,基於模組的解決方案出現了明顯的勢頭。開關電源和信號鏈路是尤其適合用模組實現的兩類應用,因為高效率設計需要專門知識,這在今天的軍用設計團隊中是稀缺品。
6 μModule® 產品
μModule 產品是如今的 COTS 模組的一個例子。淩力爾特 (現隸屬 Analog Devices 公司) 2005 年推出這種產品,首批產品之一是一個完整的 12A DC/DC 穩壓器,採用 15 mm2 表面貼裝封裝 (圖 1)。
圖 1 LTM4601AHV 12 A μModule DC/DC 穩壓器
接下來,我們開發了一個完整的μModule 產品系列,包括多種電源、介面和信號鏈路產品,例如最近推出的 LTM9100 (圖 2) 和 ADAQ7980 (圖 3)。
圖 2 具遙測功能的高壓隔離式開關控制器 LTM9100
圖 3 16 位 1Msps 資料獲取子系統 ADAQ7980
7 COTS 模組封裝類型
與表面貼裝 IC 類似,每個μModule 穩壓器都包括一個完整的系統級封裝解決方案,可簡化設計並最大限度減少外部組件。從內部看,佈局和設計都為提高電氣性能和熱效率進行了優化。這些μModule 產品按照業界最高標準開發,提供出色的可靠性,並接近標準 IC。提供具金塗層焊盤的 LGA (焊盤網格陣列) 封裝和具 SAC305 或 SnPb 焊料的 BGA (球珊陣列) 封裝,且有各種溫度級版本。
圖 4 採用 LGA (左) 和 BGA (右) 封裝的兩種 μModule 穩壓器
如果需要,軍用溫度級版本 μModule 產品在 ̶ 55 ºC 和 +125 ºC 時通過 100% 的電氣測試,可提供有保證的資料表性能。
8結論
50 年前,混合電路和模組是電子電路小型化和改進電子電路可靠性的首選技術。隨著半導體行業日益商品化,產品生命週期與國防行業設備生命週期差異越來越大,混合電路和模組在減輕過時淘汰問題方面找到了新的用武之地。儘管 ASIC 成為數位電子電路集成的首選方法,但混合模組可以在解決類比難題這一小型專業化市場發揮作用。
同時,COTS 模組以專用標準產品 (Application Specific Standard Products) 形式出現了,尤其是針對電源、處理器、信號鏈路和介面的模組。隨著軍用設備提供商爭取新的競爭優勢、認識到讓稀缺設計資源集中于增強核心能力的重要性,這些專用標準產品也得到了廣泛採用。
如今,國防預算壓力和更短的設計週期可能使完全定制的混合電路日益成為一種遺留解決方案,但是毫無疑問,COTS 模組越來越成為軍工和航空航太行業的首選技術。
3性能
軍用和航空航太系統一般是以模組化子系統為基礎設計的。例如,現場可更換單元 (LRU) 簡化了服務和運行支援。LRU 互連依靠 MIL-STD-1553 匯流排界面等標準。用混合電路、模組、ASIC 巨集或在標準格式的電路板上實現這些功能已經成為首選方法,實際上,它們就是專用標準產品 (ASSP) 和基本構件。
這凸顯出兩個重要因素。首先,無謂的重新發明是沒有什麼可取之處,而且讓設計師專注于系統的核心智慧財產權才是更有效的用人方式。其次,按照如今的標準,軍事和航空航太業是半導體的小用戶,與開發單片 IC 級 ASSP 相比,開發模組或電路板級解決方案是更加現實的主張。
傳統上,電源模組的性能要求也很好地與混合模組技術保持了一致,這種技術所使用的密封金屬罐封裝滿足高溫、高可靠性軍事應用的功率密度和熱量管理需求。隨著大型 FPGA 和微處理器的電源要求越來越高,對更高效的電源架構和負載點 (POL) 調節的追求已經導致出現了新的模組解決方案。
長久以來,雷達等應用也一直依靠混合電路和模組實現 RF 和微波解決方案。只是近年來,才出現了開始滿足這類需求的單片 IC 產品,但是現在,新式高度平行的相控陣雷達再次將注意力集中到模組解決方案上。
4安全性
產品過時淘汰對軍工業而言是個非常嚴重的問題。30 到 50 年的項目壽命很常見,因此軍事和航空航太設備供應商不斷尋求降低風險的方式。混合電路和模組一直是一種嘗試隔離國防行業與半導體行業快速變化的方法。記憶體模組是一個引起興趣的特定領域,因為 DRAM 和 SRAM 技術的壽命尤其短。可以保持標準外形尺寸和引腳佈局的概念,同時可以更新模組內的記憶體晶片。這件事寫起來比實際做起來容易得多,部分是因為,在存取時間、架構和電源電壓方面不斷取得進展。另一方面,如果空間允許,使用標準格式的嵌入式處理器板卡可提供一種更高級的方法。不過標準外形尺寸的概念是很多過時淘汰管理戰略的核心,無疑也是影響混合電路和模組解決方案壽命長短的一個主要因素。
混合電路和模組也有優勢,因為全定制模組可用來隱藏與硬體設計有關的寶貴的智慧財產權,使逆向工程更加難以實現。僅查看封裝上的器件數量不足以對硬體設計解碼。此外,有些半導體晶片也不容易在公開市場上買到。
5從全定制到如今的 COTS
之前關於在軍用系統中繼續使用混合電路和模組的觀點仍然有效。不過,重要的是要認識到,軍用設備製造商面臨的商用壓力比以往任何時候都大,尤其是成本和上市時間。
全定制混合設計價錢昂貴,要用相對較長的時間開發。可替代的單片 IC 解決方案正在逐年增多。儘管大型國防公司仍然開發新的混合設計,但是隨著產量下降,可察覺到出現了製造外包趨勢。
COTS 模組的情形則完全不同。在技術和商用因素的驅動下,基於模組的解決方案出現了明顯的勢頭。開關電源和信號鏈路是尤其適合用模組實現的兩類應用,因為高效率設計需要專門知識,這在今天的軍用設計團隊中是稀缺品。
6 μModule® 產品
μModule 產品是如今的 COTS 模組的一個例子。淩力爾特 (現隸屬 Analog Devices 公司) 2005 年推出這種產品,首批產品之一是一個完整的 12A DC/DC 穩壓器,採用 15 mm2 表面貼裝封裝 (圖 1)。
圖 1 LTM4601AHV 12 A μModule DC/DC 穩壓器
接下來,我們開發了一個完整的μModule 產品系列,包括多種電源、介面和信號鏈路產品,例如最近推出的 LTM9100 (圖 2) 和 ADAQ7980 (圖 3)。
圖 2 具遙測功能的高壓隔離式開關控制器 LTM9100
圖 3 16 位 1Msps 資料獲取子系統 ADAQ7980
7 COTS 模組封裝類型
與表面貼裝 IC 類似,每個μModule 穩壓器都包括一個完整的系統級封裝解決方案,可簡化設計並最大限度減少外部組件。從內部看,佈局和設計都為提高電氣性能和熱效率進行了優化。這些μModule 產品按照業界最高標準開發,提供出色的可靠性,並接近標準 IC。提供具金塗層焊盤的 LGA (焊盤網格陣列) 封裝和具 SAC305 或 SnPb 焊料的 BGA (球珊陣列) 封裝,且有各種溫度級版本。
圖 4 採用 LGA (左) 和 BGA (右) 封裝的兩種 μModule 穩壓器
如果需要,軍用溫度級版本 μModule 產品在 ̶ 55 ºC 和 +125 ºC 時通過 100% 的電氣測試,可提供有保證的資料表性能。
8結論
50 年前,混合電路和模組是電子電路小型化和改進電子電路可靠性的首選技術。隨著半導體行業日益商品化,產品生命週期與國防行業設備生命週期差異越來越大,混合電路和模組在減輕過時淘汰問題方面找到了新的用武之地。儘管 ASIC 成為數位電子電路集成的首選方法,但混合模組可以在解決類比難題這一小型專業化市場發揮作用。
同時,COTS 模組以專用標準產品 (Application Specific Standard Products) 形式出現了,尤其是針對電源、處理器、信號鏈路和介面的模組。隨著軍用設備提供商爭取新的競爭優勢、認識到讓稀缺設計資源集中于增強核心能力的重要性,這些專用標準產品也得到了廣泛採用。
如今,國防預算壓力和更短的設計週期可能使完全定制的混合電路日益成為一種遺留解決方案,但是毫無疑問,COTS 模組越來越成為軍工和航空航太行業的首選技術。