混合電路和模塊技術(shù)簡(jiǎn)史

作者/Steve Munns ADI公司軍用航空市場(chǎng)經(jīng)理

       50 多年來(lái)，混合電路和模塊技術(shù)一直在發(fā)展，現在，模塊采用了 COTS (商用現成有售) 形式，為縮短設計周期、減輕過(guò)時(shí)淘汰問(wèn)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(lái)回顧一下這種技術(shù)的發(fā)展歷史，探索一些對航空航天和國防行業(yè)而言非常重要的因素。

　　1早期的混合電路

　　上世紀 50 年代后期，運用分立式晶體管的計算領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步，但是電路板變得日益復雜了，有時(shí)有數千個(gè)互連的晶體管、二極管、電阻器和電容器。因此，需要一種解決方案來(lái)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(lǐng)域，軍方興趣濃厚，尤其活躍。1958 年，美國軍方資助的 RCA 公司開(kāi)發(fā)“微型模塊”概念。這種概念采取的方法是，使用從外部配置、統一大小的立方體，以便這些立方體能夠相互固定在一起。在內部，各種分立式組件的小芯片垂直疊置，在其邊沿處互連。從體積上看，組件密度提高了多于雙倍，可靠性則提高了 6 倍，軍方很高興，在接下來(lái)的幾年中又進(jìn)一步投資。在 1962 年，一個(gè) 10 組件模塊的價(jià)錢(qián)為 52 美元，大約是常規分立式 PCB 解決方案價(jià)錢(qián)的 2.5 倍。

　　盡管價(jià)錢(qián)很高，但是 RCA 的微型模塊非常成功，不過(guò)生命很短，集成電路 (IC) 的誕生無(wú)疑促成了這種模塊讓位。早期 IC 的價(jià)錢(qián)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(gè)著(zhù)名項目是，雷神 (Raytheon) 公司為美國航空航天局 (NASA) 建造的“阿波羅制導計算機 (Apollo Guidance Computer)”。

　　隨著(zhù) IC 的迅速發(fā)展，人們不久就認識到 IC 相對于混合電路和模塊的優(yōu)勢。從這方面來(lái)看，混合電路技術(shù)依然存在似乎令人驚訝。不過(guò)，軍方常常有更廣泛的考慮，包括相對于創(chuàng )新和復雜運行要求，考慮產(chǎn)品穩定性和長(cháng)期可用性、可靠性、實(shí)用性等。這些因素與混合電路和模塊的特定技術(shù)優(yōu)勢相結合，無(wú)疑是混合電路技術(shù)在過(guò)去 50 年得到持續使用的原因之一。

　　2集成

　　在本文涵蓋的這段時(shí)間，ASIC 技術(shù)帶來(lái)了行業(yè)革命。最初，數百個(gè)門(mén)的門(mén)陣列為軍方提供了一條提高數字化集成度的途徑，隨著(zhù)門(mén)密度的迅速提高和開(kāi)發(fā)工具的改進(jìn)，混合電路的日子似乎屈指可數了。上世紀 80 年代后期，軍用設備設計師認識到了數字 ASIC 的成功性，嘗試將相同的方法應用到混合信號電路。他們的動(dòng)機主要由小型化需求主導，因為軍方需要越來(lái)越復雜的系統，那時(shí)這樣的系統預算很大。但是，調整為客戶(hù)使用而完全定制的設計工具很難，模擬設計也很復雜，這種困難和復雜性意味著(zhù)，對于實(shí)際上完全定制的設計而言，混合信號 ASIC 仍然會(huì )非常密集地耗費資源，而且高度依賴(lài)半導體制造商的設計團隊。盡管模擬 ASIC 設計工具和技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，但是真實(shí)世界的模擬問(wèn)題范圍寬廣，仍然難以用現成有售的半定制電路一一解決。因此，當現成有售的產(chǎn)品發(fā)揮不了作用時(shí)，混合電路為將各種采用不同工藝技術(shù)制造的高性能模擬和信號鏈路功能集成到單個(gè)封裝中提供了一條途徑。

　　3性能

　　軍用和航空航天系統一般是以模塊化子系統為基礎設計的。例如，現場(chǎng)可更換單元 (LRU) 簡(jiǎn)化了服務(wù)和運行支持。LRU 互連依靠 MIL-STD-1553 總線(xiàn)接口等標準。用混合電路、模塊、ASIC 宏或在標準格式的電路板上實(shí)現這些功能已經(jīng)成為首選方法，實(shí)際上，它們就是專(zhuān)用標準產(chǎn)品 (ASSP) 和基本構件。

　　這凸顯出兩個(gè)重要因素。首先，無(wú)謂的重新發(fā)明是沒(méi)有什么可取之處，而且讓設計師專(zhuān)注于系統的核心知識產(chǎn)權才是更有效的用人方式。其次，按照如今的標準，軍事和航空航天業(yè)是半導體的小用戶(hù)，與開(kāi)發(fā)單片 IC 級 ASSP 相比，開(kāi)發(fā)模塊或電路板級解決方案是更加現實(shí)的主張。

　　傳統上，電源模塊的性能要求也很好地與混合模塊技術(shù)保持了一致，這種技術(shù)所使用的密封金屬罐封裝滿(mǎn)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(zhù)大型 FPGA 和微處理器的電源要求越來(lái)越高，對更高效的電源架構和負載點(diǎn) (POL) 調節的追求已經(jīng)導致出現了新的模塊解決方案。

　　長(cháng)久以來(lái)，雷達等應用也一直依靠混合電路和模塊實(shí)現 RF 和微波解決方案。只是近年來(lái)，才出現了開(kāi)始滿(mǎn)足這類(lèi)需求的單片 IC 產(chǎn)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塊解決方案上。

　　4安全性

　　產(chǎn)品過(guò)時(shí)淘汰對軍工業(yè)而言是個(gè)非常嚴重的問(wèn)題。30 到 50 年的項目壽命很常見(jiàn)，因此軍事和航空航天設備供應商不斷尋求降低風(fēng)險的方式?；旌想娐泛湍K一直是一種嘗試隔離國防行業(yè)與半導體行業(yè)快速變化的方法。存儲器模塊是一個(gè)引起興趣的特定領(lǐng)域，因為 DRAM 和 SRAM 技術(shù)的壽命尤其短?？梢员３謽藴释庑纬叽绾鸵_布局的概念，同時(shí)可以更新模塊內的存儲器芯片。這件事寫(xiě)起來(lái)比實(shí)際做起來(lái)容易得多，部分是因為，在存取時(shí)間、架構和電源電壓方面不斷取得進(jìn)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(guò)標準外形尺寸的概念是很多過(guò)時(shí)淘汰管理戰略的核心，無(wú)疑也是影響混合電路和模塊解決方案壽命長(cháng)短的一個(gè)主要因素。

　　混合電路和模塊也有優(yōu)勢，因為全定制模塊可用來(lái)隱藏與硬件設計有關(guān)的寶貴的知識產(chǎn)權，使逆向工程更加難以實(shí)現。僅查看封裝上的器件數量不足以對硬件設計解碼。此外，有些半導體芯片也不容易在公開(kāi)市場(chǎng)上買(mǎi)到。

　　5從全定制到如今的 COTS

　　之前關(guān)于在軍用系統中繼續使用混合電路和模塊的觀(guān)點(diǎn)仍然有效。不過(guò)，重要的是要認識到，軍用設備制造商面臨的商用壓力比以往任何時(shí)候都大，尤其是成本和上市時(shí)間。

　　全定制混合設計價(jià)錢(qián)昂貴，要用相對較長(cháng)的時(shí)間開(kāi)發(fā)?？商娲膯纹?IC 解決方案正在逐年增多。盡管大型國防公司仍然開(kāi)發(fā)新的混合設計，但是隨著(zhù)產(chǎn)量下降，可察覺(jué)到出現了制造外包趨勢。

　　COTS 模塊的情形則完全不同。在技術(shù)和商用因素的驅動(dòng)下，基于模塊的解決方案出現了明顯的勢頭。開(kāi)關(guān)電源和信號鏈路是尤其適合用模塊實(shí)現的兩類(lèi)應用，因為高效率設計需要專(zhuān)門(mén)知識，這在今天的軍用設計團隊中是稀缺品。

　　6 μModule? 產(chǎn)品

　　μModule 產(chǎn)品是如今的 COTS 模塊的一個(gè)例子。凌力爾特 (現隸屬 Analog Devices 公司) 2005 年推出這種產(chǎn)品，首批產(chǎn)品之一是一個(gè)完整的 12A DC/DC 穩壓器，采用 15 mm2 表面貼裝封裝 (圖 1)。

　　圖 1 LTM4601AHV 12 A μModule DC/DC 穩壓器

　　接下來(lái)，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的μModule 產(chǎn)品系列，包括多種電源、接口和信號鏈路產(chǎn)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(kāi)關(guān)控制器 LTM9100

　　圖 3 16 位 1Msps 數據采集子系統 ADAQ7980

　　7 COTS 模塊封裝類(lèi)型

　　與表面貼裝 IC 類(lèi)似，每個(gè)μModule 穩壓器都包括一個(gè)完整的系統級封裝解決方案，可簡(jiǎn)化設計并最大限度減少外部組件。從內部看，布局和設計都為提高電氣性能和熱效率進(jìn)行了優(yōu)化。這些μModule 產(chǎn)品按照業(yè)界最高標準開(kāi)發(fā)，提供出色的可靠性，并接近標準 IC。提供具金涂層焊盤(pán)的 LGA (焊盤(pán)網(wǎng)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 采用 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(chǎn)品在 ? 55 oC 和 +125 oC 時(shí)通過(guò) 100% 的電氣測試，可提供有保證的數據表性能。

　　8結論

　　50 年前，混合電路和模塊是電子電路小型化和改進(jìn)電子電路可靠性的首選技術(shù)。隨著(zhù)半導體行業(yè)日益商品化，產(chǎn)品生命周期與國防行業(yè)設備生命周期差異越來(lái)越大，混合電路和模塊在減輕過(guò)時(shí)淘汰問(wèn)題方面找到了新的用武之地。盡管 ASIC 成為數字電子電路集成的首選方法，但混合模塊可以在解決模擬難題這一小型專(zhuān)業(yè)化市場(chǎng)發(fā)揮作用。

　　同時(shí)，COTS 模塊以專(zhuān)用標準產(chǎn)品 (Application Specific Standard Products) 形式出現了，尤其是針對電源、處理器、信號鏈路和接口的模塊。隨著(zhù)軍用設備提供商爭取新的競爭優(yōu)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(zhuān)用標準產(chǎn)品也得到了廣泛采用。

　　如今，國防預算壓力和更短的設計周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(wú)疑問(wèn)，COTS 模塊越來(lái)越成為軍工和航空航天行業(yè)的首選技術(shù)。