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多芯片模块设计技术和三维封装技术不断发展,为以精确制导武器为代表的电子战能力集成提供广阔空间

美国水星系统公司的Charlie Hudnall和Philip Fulmer。Charlie Hudnall是先进微电子系统组首席技术专家,也是嵌入式传感器处理组的总经理和副总裁。Philip Fulmer是先进微电子解决方案组的产品市场经理。美国水星系统公司的Charlie Hudnall和Philip Fulmer。Charlie Hudnall是先进微电子系统组首席技术专家,也是嵌入式传感器处理组的总经理和副总裁。Philip Fulmer是先进微电子解决方案组的产品市场经理。


通常来说,电子战技术大量应用于地面、海上和空中平台中,为现代战场提供战略和战术优势。随着现代军事力量作战逐步由常规武器系统向精确制导弹药和导弹转型,具备更强打击能力,作为回应,对手也在逐步转向采用电子攻击技术,破坏精确制导武器的导航和制导能力,降低其功效。为应对这种新型电子攻击威胁,地面、海上和空中平台所用的保护型微电子产品必须要适时在尺寸、性能等方面作出调整。要实现这一目标,必须要在根本上改变数字射频存储器的设计方法,将电子战技术嵌入到现代精确制导武器极为有限的微电子空间中。这些高度小型化的模块要足够小,非常适合因传统的数字射频存储器功能太大而无法用于导弹和精确制导弹药的情况。


多芯片模块设计对数字射频存储器中射频设计提供新思路

传统的数字射频存储器设计中的模拟组件占据了大部分分配的设计空间;小型化的数字射频存储器只能在微缩模拟电路的同时,提供所需的增强型耐用性,以承受最恶劣的预期工作条件才能实现。根据弹药及其具体情况,作战条件可能差异很大。DRFM模块的设计必须能够承受高频机械振动、发射期间的快速加速、极端的热冲击,以及暴露于潮湿、盐水或腐蚀性环境的任何组合。仅应对这些挑战之一本身就是一项复杂任务,同时解决上述所有问题需要数字射频存储器架构师要对模拟电路设计方法进行重新考虑。一个适当设计的多芯片模块是同时满足上述两个要求的例子,如下图所示。

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图1:射频多芯片模块同时实现了数字射频存储器上模拟电路的小型化和坚固耐用

在射频多芯片模块器件的底部是一个球栅阵列,其中焊球通过选定的印刷电路板传输功率和所需信号。考虑到应用空间的严格限制,需要仔细选择印刷电路板材料对机械完整性和散热进行平衡。在可能的情况下,选择裸芯片组件以使电路获得最大化的小型化。然而,这种选择也增加成本并降低可制造性,后者在很大程度上可用工程设计资源高度成熟的可制造性的来解决。但即使在最好的情况下,也并非所有组件都可以作为裸芯片集成在一起,需要利用混合制造即使来生产可靠的多芯片模块器件。


采用三维封装技术减少数字化组件在存储器所占空间

数字射频存储器模块的数字处理组件数量很少,要比射频电路的小型化更难。数字处理组件的尺寸受商用组件可用封装的限制。设计人员可利用的三维封装技术领域是减少动态随机存取存储器模块平面阵列的二维占空面积,在高速DDR4存储器模块中可减少75%的空间。当嵌入单个球栅阵列器件时,所得到的封装在极端环境条件下提供经验证的可靠性优势。先进三维封装技术采用硅通孔,保证了SWaP的进一步改进。但该技术尚未达到足以满足军用市场对热管理和机械要求的成熟度。


数字射频存储器设计的使用案例分析

对于在较少空间受限环境下,数字射频存储器模块的设计者将设计空间视为二维平面,往往很少关注三维空间。然而,精确制导武器的数字射频模块小型化对空间拥有严格限制,以至于所有可用空间都必须被视为可行的设计空间。如图2所示,多个印刷电路板的垂直堆叠和互联使用几乎能够利用所有可用的物理空间。然而,在狭窄的区域内,设计者必须考虑板间信号交互,同时确保整个电子器件封装足够的机械完整性。

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图2:与使用三维模块化板堆叠的小型化数字射频存储器(右)相比,在同一二维平板上的拥有模拟和数字组件的传统数字射频存储器器件(左)


由于数字射频存储器微电子组件被分配用于垂直堆叠的各个印刷电路板,所以模块化的概念变得很重要。如果在同一块电路板上使用具有通用功能的组件,则可实现最大的空间效率。例如,所有的数字组件都被放置在图2的单个电路板上,而模拟电路则在一个单独的电路板上。但模块化也提供了其他好处,将数字处理与噪声敏感型射频电路的分离自然使得整个传感器链具有更高的性能。此外,如果制造商更新性能限制组件(如模数转换器)或现场可编程门阵列,模块化可实现快速升级周期,同时重新使用不受设计更改影响的电路板。此外,模块化使人们能够及早检测制造异常并予以解决,否则在完全组装的数字射频存储器的最终测试之前,这些异常将不被察觉。空间限制和任务配置文件将决定需要对设计作出什么权衡来优化整个系统的性能。例如,如果任务需要,可通过略微扩大堆叠的数字射频存储器模块的形状因子来实现更高的动态范围;那么所得到的较大形状因子更适合解决与实现增加的动态范围所需的较高功率水平相关的散热要求。


与传统的数字射频存储器模块不同,数字射频存储器模块预计会有多年的使用寿命。为精确制导武器量身定制的数字射频存储器模块可运行几分钟,并被成功的任务摧毁。由于极短的工作寿命,精确制导武器的数字射频存储器可在非常高的功率水平下工作——远远超出传统设计和运行的数字射频存储器——从而在精确制导武器的短暂飞行期间提供有效的电子保护能力。由于数字电路需要较低的工作电压,因此这种高功率要求使整个系统电源要求复杂化。因此,数字射频存储器系统电源必须在高电流和低电压下工作,噪声水平非常低。


精确制导武器对微电子设计和性能提出新需求

武器系统的微电子元素必须不断增加,无论是射频性能还是处理复杂性,都是为了应对现代威胁环境的演变。微电子的小型化和坚固耐用已经不够了;微电子技术必须针对现实生活中的使用情况进行专门设计,并注重模块化和整体系统优化。保持战略和战术优势,需要国防部门继续采用商业技术进步,同时部署创新和可升级的微电子平台。

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