混合電路和模塊技術(shù)簡(jiǎn)史

50 多年來(lái)，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(jì)周期、減輕過(guò)時(shí)淘汰問(wèn)題以及應(yīng)對(duì) SWaP (尺寸、重量和功率) 挑戰(zhàn)做出了重大貢獻(xiàn)。我們來(lái)回顧一下這種技術(shù)的發(fā)展歷史，探索一些對(duì)航空航天和國(guó)防行業(yè)而言非常重要的因素。

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(jì)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(shí)有數(shù)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(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(guó)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(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(lái)的幾年中又進(jìn)一步投資。根據(jù)《電子工程專輯(Electronic Engineering Times)》上的一篇文章，在1962 年，一個(gè) 10 組件模塊的價(jià)錢為 52 美元，大約是常規(guī)分立式 PCB 解決方案價(jià)錢的 2.5 倍。

盡管價(jià)錢很高，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(xiàng)目的受益者，1962 年的一個(gè)著名項(xiàng)目是，雷神 (Raytheon) 公司為美國(guó)航空航天局 (NASA) 建造的“阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī) (Apollo Guidance Computer)”。

隨著 IC 的迅速發(fā)展，人們不久就認(rèn)識(shí)到 IC 相對(duì)于混合電路和模塊的優(yōu)勢(shì)。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(duì)于創(chuàng)新和復(fù)雜運(yùn)行要求，考慮產(chǎn)品穩(wěn)定性和長(zhǎng)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(shì)相結(jié)合，無(wú)疑是混合電路技術(shù)在過(guò)去 50 年得到持續(xù)使用的原因之一。

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(shù)百個(gè)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(kāi)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(jì)師認(rèn)識(shí)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(hào)電路。他們的動(dòng)機(jī)主要由小型化需求主導(dǎo)，因?yàn)檐姺叫枰絹?lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)，那時(shí)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(jì)工具很難，模擬設(shè)計(jì)也很復(fù)雜，這種困難和復(fù)雜性意味著，對(duì)于實(shí)際上完全定制的設(shè)計(jì)而言，混合信號(hào) ASIC 仍然會(huì)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(jì)團(tuán)隊(duì)。盡管模擬 ASIC 設(shè)計(jì)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(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(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(hào)鏈路功能集成到單個(gè)封裝中提供了一條途徑。

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(jì)的。例如，現(xiàn)場(chǎng)可更換單元 (LRU) 簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)這些功能已經(jīng)成為首選方法，實(shí)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(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(shè)計(jì)師專注于系統(tǒng)的核心知識(shí)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(kāi)發(fā)單片 IC 級(jí) ASSP 相比，開(kāi)發(fā)模塊或電路板級(jí)解決方案是更加現(xiàn)實(shí)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(lái)越高，對(duì)更高效的電源架構(gòu)和負(fù)載點(diǎn) (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(zhǎng)久以來(lái)，雷達(dá)等應(yīng)用也一直依靠混合電路和模塊實(shí)現(xiàn) RF 和微波解決方案。只是近年來(lái)，才出現(xiàn)了開(kāi)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。

安全性

產(chǎn)品過(guò)時(shí)淘汰對(duì)軍工業(yè)而言是個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。30 到 50 年的項(xiàng)目壽命很常見(jiàn)，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(xiǎn)的方式?；旌想娐泛湍K一直是一種嘗試隔離國(guó)防行業(yè)與半導(dǎo)體行業(yè)快速變化的方法。存儲(chǔ)器模塊是一個(gè)引起興趣的特定領(lǐng)域，因?yàn)? 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(shí)可以更新模塊內(nèi)的存儲(chǔ)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?yàn)?，在存取時(shí)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(jí)的方法。不過(guò)標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸的概念是很多過(guò)時(shí)淘汰管理戰(zhàn)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(zhǎng)短的一個(gè)主要因素。

混合電路和模塊也有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槿ㄖ颇K可用來(lái)隱藏與硬件設(shè)計(jì)有關(guān)的寶貴的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使逆向工程更加難以實(shí)現(xiàn)。僅查看封裝上的器件數(shù)量不足以對(duì)硬件設(shè)計(jì)解碼。此外，有些半導(dǎo)體芯片也不容易在公開(kāi)市場(chǎng)上買到。

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(diǎn)仍然有效。不過(guò)，重要的是要認(rèn)識(shí)到，軍用設(shè)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(shè)計(jì)價(jià)錢昂貴，要用相對(duì)較長(zhǎng)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(guó)防公司仍然開(kāi)發(fā)新的混合設(shè)計(jì)，但是隨著產(chǎn)量下降，可察覺(jué)到出現(xiàn)了制造外包趨勢(shì)。

COTS 模塊的情形則完全不同。在技術(shù)和商用因素的驅(qū)動(dòng)下，基于模塊的解決方案出現(xiàn)了明顯的勢(shì)頭。開(kāi)關(guān)電源和信號(hào)鏈路是尤其適合用模塊實(shí)現(xiàn)的兩類應(yīng)用，因?yàn)楦咝试O(shè)計(jì)需要專門知識(shí)，這在今天的軍用設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中是稀缺品。

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(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(gè)完整的 12A DC/DC 穩(wěn)壓器，采用 15mm2 表面貼裝封裝 (圖 1)。

圖 1：LTM4601AHV 12A μModule DC/DC 穩(wěn)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(hào)鏈路產(chǎn)品，例如最近推出的 LTM9100 (圖 2) 和 ADAQ7980 (圖 3)。

圖 2：具遙測(cè)功能的高壓隔離式開(kāi)關(guān)控制器 LTM9100

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

COTS 模塊封裝類型

與表面貼裝 IC 類似，每個(gè)μModule 穩(wěn)壓器都包括一個(gè)完整的系統(tǒng)級(jí)封裝解決方案，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并最大限度減少外部組件。從內(nèi)部看，布局和設(shè)計(jì)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(kāi)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(jí)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(jí)版本 μModule 產(chǎn)品在 ̶ 55ºC 和 +125ºC 時(shí)通過(guò) 100% 的電氣測(cè)試，可提供有保證的數(shù)據(jù)表性能。

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(guó)防行業(yè)設(shè)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(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(chǎng)發(fā)揮作用。

同時(shí)，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(duì)電源、處理器、信號(hào)鏈路和接口的模塊。隨著軍用設(shè)備提供商爭(zhēng)取新的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)、認(rèn)識(shí)到讓稀缺設(shè)計(jì)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(guó)防預(yù)算壓力和更短的設(shè)計(jì)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)。