完整μModule產(chǎn)品系列，電源、接口和信號鏈路不可少！

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(jì)周期、減輕過時(shí)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。

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。

1958 年，美國資助的 RCA 公司提出了“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，組件密度提高了兩倍多，可靠性則提高了6 倍，在接下來的幾年中又進(jìn)一步投資。在 1962 年，一個(gè)10 組件模塊的價(jià)格為 52 美元，大約是常規(guī)分立式 PCB（印制電路板）解決方案價(jià)錢的 2.5 倍。

盡管價(jià)格很高，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(jià)格是混合式解決方案的 9 倍，這些 IC 常常是政府資助項(xiàng)目的受益者，1962 年的一個(gè)著名項(xiàng)目是雷神 （Raytheon）公司為美國航空航天局 （NASA） 建造的“阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī) （ApolloGuidance Computer）”。

圖片來自網(wǎng)絡(luò)

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，政府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(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(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。

在本文涵蓋的這段時(shí)間，ASIC技術(shù)帶來了行業(yè)革命。最初，數(shù)百個(gè)門的門陣列為政府提供了一條提高數(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，防務(wù)設(shè)備設(shè)計(jì)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?yàn)榉绖?wù)需要越來越復(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，對于實(shí)際上完全定制的設(shè)計(jì)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(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鏈路功能集成到單個(gè)封裝中提供了一條途徑。

防務(wù)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)場可更換單元 （LRU） 簡化了服務(wù)和運(yùn)行支持。LRU 互連依靠 MILSTD-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，無謂的重新發(fā)明是沒有什么可取之處的，而且讓設(shè)計(jì)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)，防務(wù)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(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、高可靠性防務(wù)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(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。

長久以來，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，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。

產(chǎn)品過時(shí)淘汰對防務(wù)業(yè)而言是個(gè)非常嚴(yán)重的問題。30 到 50 年的項(xiàng)目壽命很常見，因此防務(wù)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(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)的存儲器芯片。這件事寫起來比實(shí)際做起來容易得多，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的方法。不過標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸的概念是很多過時(shí)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(gè)主要因素。

混合電路和模塊也有優(yōu)勢，因?yàn)槿ㄖ颇K可用來隱藏與硬件設(shè)計(jì)有關(guān)的寶貴的知識產(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市場上買到。

之前關(guān)于在防務(wù)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，重要的是要認(rèn)識到，防務(wù)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，要用相對較長的時(shí)間開發(fā)?？商娲膯纹琁C 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(jì)，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(shí)現(xiàn)的兩類應(yīng)用，因?yàn)楦咝试O(shè)計(jì)需要專門知識，這在今天的防務(wù)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中是稀缺品。

μModule 產(chǎn)品是如今的 COTS模塊的一個(gè)例子， 2005 年推出，首批產(chǎn)品中有一個(gè)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(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關(guān)控制器 LTM9100

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

與 表 面 貼 裝 I C 類 似 ， 每 個(gè)μModule 穩(wěn)壓器都包括一個(gè)完整的系統(tǒng)級封裝解決方案，可簡化設(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 ， 防務(wù) 溫 度 級 版 本μModule 產(chǎn)品在 -55 ℃ 和 +125 ℃ 時(shí)通過 100% 的電氣測試，可提供有保證的數(shù)據(jù)表性能。

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(shí)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(shí)，COTS 模塊以專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 （Application Specific StandardProducts） 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。隨著防務(wù)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(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，但是毫無疑問，COTS 模塊越來越成為防務(wù)和航空航天行業(yè)的首選技術(shù)。