Maxim為什么選擇設計單片NV SRAM模塊

摘要：為了理解Maxim的單芯片模塊設計原則，首先需要知道電池備份存儲器的開發(fā)歷史。

開發(fā)NV SRAM的目的是生產(chǎn)一種類似于IC的混合存儲器產(chǎn)品，利用低功耗SRAM配合鋰紐扣電池工作，等同于帶有長期備用穩(wěn)壓電源的CMOS技術(shù)。

為了理解Maxim的單芯片模塊(SPM)封裝設計以及對鋰錳(ML)二次(可充電)電池的選擇，首先需要知道電池備份存儲器的開發(fā)過程。如果了解選擇電池化學材料的相關(guān)問題，就很容易找到這一問題的答案。

建議讀者首先熟悉非易失應用中所使用的原(不可充電)鋰鈕扣電池，在應用筆記505："Lithium Coin-Cell Batteries: Predicting an Application Lifetime"中進行了說明。

“磚模塊”—過孔元件

早期的混合模塊封裝延用了傳統(tǒng)的雙列直插(DIP)封裝，這主要是受市場驅(qū)動的結(jié)果，因為EPROM插座為產(chǎn)品提供了更大的靈活性。模塊在制造過程中經(jīng)過適當處理，具有連接方便、簡單易用并且可靠性高等優(yōu)勢。

將原鋰鈕扣電池集成到產(chǎn)品中的主要限制是鈕扣電池不能暴露在+85°C (+185°F)以上的溫度環(huán)境中。大批量電路板組裝過程中遇到的這一工藝限制迫使生產(chǎn)商在處理備份電池模塊時使用特殊的方法。而電池廠商對集成電路應用或印刷電路板組裝的要求并不熟悉，因此，電子制造涉及到的環(huán)境問題對他們而言是一個全新領域。當時，設計更耐熱的鈕扣電池也不是他們開發(fā)計劃所關(guān)心的主要問題。

對于很多用戶而言，習慣于將DIP模塊封裝稱為“磚模塊”，受模塊物力尺寸的限制，許多用戶很難為這種封裝找到合適的空間。

DIP模塊采用傳統(tǒng)的600mil寬的排列，占用較大的電路板面積，而且封裝的高度也較高。存儲器的每一次容量擴充都必須改動電路板布局，增加引腳數(shù)，并進一步增加電路板面積。模塊采用全密封結(jié)構(gòu)，增加的材料也會影響最終電路板的抗振動特性。

解決溫度限制問題的常用方法是采用插座或手工焊接模塊。但這兩種方法會提高成本，而且安裝很不方便。另外，插座連接還會產(chǎn)生系統(tǒng)可靠性問題。

結(jié)果，能夠滿足實際要求的方案可能是一個大尺寸但高度可靠、自帶存儲器的子系統(tǒng)，能夠提供高溫環(huán)境下的相關(guān)保護。

小外形模塊需要定制插座

為了解決DIP模塊電路板面積和高度的缺點，某些封裝采用了小外形混合結(jié)構(gòu)，但還是不能直接焊接。雖然高度減半，并且縮小了電路板面積，但是對定制插座的需求卻增加了系統(tǒng)零件的成本，并且在組裝線的最后，焊接好插座后還需要人工安裝模塊。

小外形模塊(LPM)具有相同的的基本單元，可以避免磚模塊的可靠性問題。但是，它不能直接焊接在用戶的電路板上，連接器的完整性成為實際應用可靠性的主要問題。

PowerCap—近似于SMT

考慮到插座的可靠性問題，進一步的封裝設計集中在以近似于SMT的封裝替代LPM。為了保護電池不受溫度影響，“產(chǎn)品”實際采用兩片方案，鋰電池作為一個獨立元件進行焊接、插接安裝。盡管兩片產(chǎn)品能夠達到批量生產(chǎn)的目標，符合SMT兼容產(chǎn)品的要求，但仍需要大量的后前工作和人工操作，從這一點來看，兩芯片方案與LPM方案并沒有太大區(qū)別。

而且，在電池電路引入連接器給產(chǎn)品本身也帶來了類似于外部插座的可靠性問題。不合理的電池帽安裝或應用現(xiàn)場的振動等因素都會導致觸點的可靠性問題，這在完全焊接的單芯片結(jié)構(gòu)中是不會出現(xiàn)的。

PowerCap模塊與磚模塊功能一樣，但可以進行回流焊組裝工藝。考慮到LPM的定制引腳，密度擴容時缺乏足夠的引腳也限制了這種封裝產(chǎn)品的進一步發(fā)展。

鋰鈕扣電池的問題

有些裝配工人試圖迅速完成電池安裝，但他們很快就會認識到不可能象處理IC那樣來處理電池。每一個金屬工作臺面或觸地操作都有可能導致電池放電。直接使用金屬鑷子或托盤會導致生產(chǎn)線的嚴重事故，但卻找不到明顯的操作失誤。

帶裸電池的產(chǎn)品不能用水進行清洗。水和電荷一起會導致枝晶生長(金屬遷移)，使電池過早放電。

實際應用中的一個常見問題是怎樣估計模塊中剩余的電池容量，這是應用筆記505討論的主要問題。由于原鋰鈕扣電池是一種一次性能源，很難精確估算出安裝在現(xiàn)場的模塊電池備份時間。

除了前面提到的焊接溫度限制以外，鋰鈕扣電池會慢慢損失電荷，即自放電，參數(shù)定義為每年電荷損失的百分比。不合理的儲存條件會顯著降低鈕扣電池的容量(請參考應用筆記505)。

單芯片模塊

專門為了解決前一代NV SRAM產(chǎn)品遇到的問題和缺點，我們推出了單芯片模塊(SPM)封裝。在工程控制下進行設計和開發(fā)，用戶不需要考慮以下任何問題，與其它封裝相比具有更少的限制：

SPM與“磚模塊”一樣，是可以完全焊接的單芯片混合模塊。在很多應用中，封裝內(nèi)部的主要功能沒有改變—保護電池不受用戶和環(huán)境的影響。該設計的主要思路是不需要連接器，特別是在電池通路。另一個好處是用戶只需要購買或存放一個單一零件。

所有SPM產(chǎn)品采用標準的27mm x 27mm、256球腳PBGA封裝。CAD設計人員會非常贊同這種非定制封裝。

與PowerCap相比，SPM產(chǎn)品需要最小的電路板面積(大約1平方英寸)。這種表面貼封裝不再需要電池附近的“隔離區(qū)域”。

所有的SPM產(chǎn)品都基于標準化的信號布線。每一信號都通過冗余焊球連接?，F(xiàn)有的LPM或PowerCap結(jié)構(gòu)的4Mb存儲器電路板經(jīng)過少量改動后，可以轉(zhuǎn)換成存儲容量等價的SPM。

SPM產(chǎn)品可以采用自動放置元件設備進行處理，實現(xiàn)了全自動的電路板安裝流程。

所有SPM產(chǎn)品支持JEDEC J-STD-020規(guī)范推薦的回流焊標準。所有SPM的可靠性研究都采用了二次回流焊預處理階段，以模擬客戶的實際處理過程。

SPM產(chǎn)品可以承受水清洗流程，完全符合MSL 3的潮濕敏感度指標。SPM產(chǎn)品經(jīng)過干燥包裝，盤裝包裝，可直接進行電路板裝配。

SPM腔體封裝不需要進行封裝密封，減少了組成成分。也不宜受系統(tǒng)振動的影響。一個DS2065W (8Mb SPM)元件的典型重量是7.5g，而DS1265W (8Mb磚模塊)的重量是13.3g (減少了大約45%)。

SPM封裝支持產(chǎn)品擴容。已經(jīng)設置了額外的焊球，用于容量擴充或產(chǎn)品定制。

SPM核是ML可充電電池。前期的NV SRAM模塊使用原鋰電池，電荷容量固定，電荷放電完畢后必須換新電池。如應用筆記505所指出的，實際使用時間取決于多種因素，很難對現(xiàn)場使用模塊的剩余電池使用時間進行精確估計。采用ML電池，不斷對電池充電能夠?qū)⑾到y(tǒng)使用時間延長到數(shù)十年。

電池備份存儲器產(chǎn)品的使用時間基于備份電池的使用年限。實際應用中，產(chǎn)品現(xiàn)場安裝后，大部分系統(tǒng)必須保持多年連續(xù)供電。當SPM產(chǎn)品使用外部VCC電源時，非易失控制器/充電器會對ML電池充電。每一次充電可以實現(xiàn)多達三年的備用電池連續(xù)供電工作?？刂破魈峁┑母叨确€(wěn)定的浮充功能消除了自放電的影響，這是電池放電的一個主要考慮因素。

結(jié)論

SPM產(chǎn)品經(jīng)過設計，能夠解決非易失SRAM生產(chǎn)和使用中的許多問題。從各方面考慮，SPM與以前的封裝相比都有明顯優(yōu)勢，現(xiàn)場應用中的可充電鋰鈕扣電池實現(xiàn)了技術(shù)上的跨越。ML鈕扣電池能夠承受焊接溫度，可以進行多次充電，在大部分存儲器應用中都優(yōu)于原鈕扣電池。