混合電路和模塊技術(shù)簡史

作者/Steve Munns ADI公司軍用航空市場經(jīng)理

       50 多年來，混合電路和模塊技術(shù)一直在發(fā)展，現(xiàn)在，模塊采用了 COTS (商用現(xiàn)成有售) 形式，為縮短設(shè)計周期、減輕過時淘汰問題以及應(yīng)對 SWaP (尺寸、重量和功率) 挑戰(zhàn)做出了重大貢獻(xiàn)。我們來回顧一下這種技術(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(jì) 50 年代后期，運(yùn)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(fù)雜了，有時有數(shù)千個互連的晶體管、二極管、電阻器和電容器。因此，需要一種解決方案來提高密度和可靠性。政府機(jī)構(gòu)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(tǒng)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(nèi)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，在接下來的幾年中又進(jìn)一步投資。在 1962 年，一個 10 組件模塊的價錢為 52 美元，大約是常規(guī)分立式 PCB 解決方案價錢的 2.5 倍。

　　盡管價錢很高，但是 RCA 的微型模塊非常成功，不過生命很短，集成電路 (IC) 的誕生無疑促成了這種模塊讓位。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(dǎo)計算機(jī) (Apollo Guidance Computer)”。

　　隨著 IC 的迅速發(fā)展，人們不久就認(rèn)識到 IC 相對于混合電路和模塊的優(yōu)勢。從這方面來看，混合電路技術(shù)依然存在似乎令人驚訝。不過，軍方常常有更廣泛的考慮，包括相對于創(chuàng)新和復(fù)雜運(yùn)行要求，考慮產(chǎn)品穩(wěn)定性和長期可用性、可靠性、實用性等。這些因素與混合電路和模塊的特定技術(shù)優(yōu)勢相結(jié)合，無疑是混合電路技術(shù)在過去 50 年得到持續(xù)使用的原因之一。

　　2集成

　　在本文涵蓋的這段時間，ASIC 技術(shù)帶來了行業(yè)革命。最初，數(shù)百個門的門陣列為軍方提供了一條提高數(shù)字化集成度的途徑，隨著門密度的迅速提高和開發(fā)工具的改進(jìn)，混合電路的日子似乎屈指可數(shù)了。上世紀(jì) 80 年代后期，軍用設(shè)備設(shè)計師認(rèn)識到了數(shù)字 ASIC 的成功性，嘗試將相同的方法應(yīng)用到混合信號電路。他們的動機(jī)主要由小型化需求主導(dǎo)，因為軍方需要越來越復(fù)雜的系統(tǒng)，那時這樣的系統(tǒng)預(yù)算很大。但是，調(diào)整為客戶使用而完全定制的設(shè)計工具很難，模擬設(shè)計也很復(fù)雜，這種困難和復(fù)雜性意味著，對于實際上完全定制的設(shè)計而言，混合信號 ASIC 仍然會非常密集地耗費(fèi)資源，而且高度依賴半導(dǎo)體制造商的設(shè)計團(tuán)隊。盡管模擬 ASIC 設(shè)計工具和技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，但是真實世界的模擬問題范圍寬廣，仍然難以用現(xiàn)成有售的半定制電路一一解決。因此，當(dāng)現(xiàn)成有售的產(chǎn)品發(fā)揮不了作用時，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封裝中提供了一條途徑。

　　3性能

　　軍用和航空航天系統(tǒng)一般是以模塊化子系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計的。例如，現(xiàn)場可更換單元 (LRU) 簡化了服務(wù)和運(yùn)行支持。LRU 互連依靠 MIL-STD-1553 總線接口等標(biāo)準(zhǔn)。用混合電路、模塊、ASIC 宏或在標(biāo)準(zhǔn)格式的電路板上實現(xiàn)這些功能已經(jīng)成為首選方法，實際上，它們就是專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (ASSP) 和基本構(gòu)件。

　　這凸顯出兩個重要因素。首先，無謂的重新發(fā)明是沒有什么可取之處，而且讓設(shè)計師專注于系統(tǒng)的核心知識產(chǎn)權(quán)才是更有效的用人方式。其次，按照如今的標(biāo)準(zhǔn)，軍事和航空航天業(yè)是半導(dǎo)體的小用戶，與開發(fā)單片 IC 級 ASSP 相比，開發(fā)模塊或電路板級解決方案是更加現(xiàn)實的主張。

　　傳統(tǒng)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足高溫、高可靠性軍事應(yīng)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(gòu)和負(fù)載點 (POL) 調(diào)節(jié)的追求已經(jīng)導(dǎo)致出現(xiàn)了新的模塊解決方案。

　　長久以來，雷達(dá)等應(yīng)用也一直依靠混合電路和模塊實現(xiàn) RF 和微波解決方案。只是近年來，才出現(xiàn)了開始滿足這類需求的單片 IC 產(chǎn)品，但是現(xiàn)在，新式高度平行的相控陣?yán)走_(dá)再次將注意力集中到模塊解決方案上。

　　4安全性

　　產(chǎn)品過時淘汰對軍工業(yè)而言是個非常嚴(yán)重的問題。30 到 50 年的項目壽命很常見，因此軍事和航空航天設(shè)備供應(yīng)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(dǎo)體行業(yè)快速變化的方法。存儲器模塊是一個引起興趣的特定領(lǐng)域，因為 DRAM 和 SRAM 技術(shù)的壽命尤其短?？梢员３謽?biāo)準(zhǔn)外形尺寸和引腳布局的概念，同時可以更新模塊內(nèi)的存儲器芯片。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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)外形尺寸的概念是很多過時淘汰管理戰(zhàn)略的核心，無疑也是影響混合電路和模塊解決方案壽命長短的一個主要因素。

　　混合電路和模塊也有優(yōu)勢，因為全定制模塊可用來隱藏與硬件設(shè)計有關(guān)的寶貴的知識產(chǎn)權(quán)，使逆向工程更加難以實現(xiàn)。僅查看封裝上的器件數(shù)量不足以對硬件設(shè)計解碼。此外，有些半導(dǎo)體芯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(guān)于在軍用系統(tǒng)中繼續(xù)使用混合電路和模塊的觀點仍然有效。不過，重要的是要認(rèn)識到，軍用設(shè)備制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(shè)計價錢昂貴，要用相對較長的時間開發(fā)。可替代的單片 IC 解決方案正在逐年增多。盡管大型國防公司仍然開發(fā)新的混合設(shè)計，但是隨著產(chǎn)量下降，可察覺到出現(xiàn)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(qū)動下，基于模塊的解決方案出現(xiàn)了明顯的勢頭。開關(guān)電源和信號鏈路是尤其適合用模塊實現(xiàn)的兩類應(yīng)用，因為高效率設(shè)計需要專門知識，這在今天的軍用設(shè)計團(tuán)隊中是稀缺品。

　　6 μModule? 產(chǎn)品

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

　　圖 1 LTM4601AHV 12 A μModule DC/DC 穩(wěn)壓器

　　接下來，我們開發(fā)了一個完整的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關(guān)控制器 LTM9100

　　圖 3 16 位 1Msps 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng) ADAQ7980

　　7 COTS 模塊封裝類型

　　與表面貼裝 IC 類似，每個μModule 穩(wěn)壓器都包括一個完整的系統(tǒng)級封裝解決方案，可簡化設(shè)計并最大限度減少外部組件。從內(nèi)部看，布局和設(shè)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(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，提供出色的可靠性，并接近標(biāo)準(zhǔn) IC。提供具金涂層焊盤的 LGA (焊盤網(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(wěn)壓器

　　如果需要，軍用溫度級版本 μModule 產(chǎn)品在 ? 55 oC 和 +125 oC 時通過 100% 的電氣測試，可提供有保證的數(shù)據(jù)表性能。

　　8結(jié)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)。隨著半導(dǎo)體行業(yè)日益商品化，產(chǎn)品生命周期與國防行業(yè)設(shè)備生命周期差異越來越大，混合電路和模塊在減輕過時淘汰問題方面找到了新的用武之地。盡管 ASIC 成為數(shù)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業(yè)化市場發(fā)揮作用。

　　同時，COTS 模塊以專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 (Application Specific Standard Products) 形式出現(xiàn)了，尤其是針對電源、處理器、信號鏈路和接口的模塊。隨著軍用設(shè)備提供商爭取新的競爭優(yōu)勢、認(rèn)識到讓稀缺設(shè)計資源集中于增強(qiáng)核心能力的重要性，這些專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品也得到了廣泛采用。

　　如今，國防預(yù)算壓力和更短的設(shè)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，但是毫無疑問，COTS 模塊越來越成為軍工和航空航天行業(yè)的首選技術(shù)。