50 多年來，混合電路和模塊技術一直在發(fā)展，現(xiàn)在，模塊采用了 COTS（商用現(xiàn)成有售） 形式，為縮短設計周期、減輕過時淘汰問題以及應對 SWaP （尺寸、重量和功率） 挑戰(zhàn)做出了重大貢獻。我們來回顧一下這種技術的發(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 50 年代后期，運用分立式晶體管的計算領域取得了巨大進步，但是電路板變得日益復雜了，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。政府機構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一步投資。在 1962 年，一個10 組件模塊的價格為 52 美元，大約是常規(guī)分立式 PCB（印制電路板）解決方案價錢的 2.5 倍。

盡管價格很高，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 的價格是混合式解決方案的 9 倍，這些 IC 常常是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“阿波羅制導計算機 （ApolloGuidance Computer）”。

圖片來自網(wǎng)絡

隨著 IC 的迅速發(fā)展，人們不久就認識到 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)新和復雜運行要求，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優(yōu)勢相結合，無疑是混合電路技術在過去 50 年得到持續(xù)使用的原因之一。

在本文涵蓋的這段時間，ASIC技術帶來了行業(yè)革命。最初，數(shù)百個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，混合電路的日子似乎屈指可數(shù)了。

上世紀 80年代后期，防務設備設計師認識到了數(shù)字 ASIC 的成功性，嘗試將相同的方法應用到混合信號電路。他們的動機主要由小型化需求主導，因為防務需要越來越復雜的系統(tǒng)，那時這樣的系統(tǒng)預算很大。但是，調整為客戶使用而完全定制的設計工具很難，模擬設計也很復雜，這種困難和復雜性意味著，對于實際上完全定制的設計而言，混合信號 ASIC 仍然會非常密集地耗費資源，而且高度依賴半導體制造商的設計團隊。

盡管模擬 ASIC 設計工具和技術已經(jīng)取得了巨大進步，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。

防務和航空航天系統(tǒng)一般是以模塊化子系統(tǒng)為基礎設計的。例如，現(xiàn)場可更換單元 （LRU） 簡化了服務和運行支持。LRU 互連依靠 MILSTD-1553總線接口等標準。用混合電路、模塊、ASIC 宏或在標準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，它們就是專用標準產(chǎn)品 （ASSP） 和基本構件。

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的，而且讓設計師專注于系統(tǒng)的核心知識產(chǎn)權才是更有效的用人方式。其次，按照如今的標準，防務和航空航天業(yè)是半導體的小用戶，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保持了一致，這種技術所使用的密封金屬罐封裝滿足高溫、高可靠性防務應用的功率密度 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和負載點 （POL） 調節(jié)的追求已經(jīng)導致出現(xiàn)了新的模塊解決方案。

長久以來，雷達等應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雷達再次將注意力集中到模塊解決方案上。

產(chǎn)品過時淘汰對防務業(yè)而言是個非常嚴重的問題。30 到 50 年的項目壽命很常見，因此防務和航空航天設備供應商不斷尋求降低風險的方式。混合電路和模塊一直是一種嘗試隔離國防行業(yè)與半導體行業(yè)快速變化的方法。存儲器模塊是一個引起興趣的特定領域，因為 DRAM 和 SRAM 技術的壽命尤其短。可以保持標準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、架構和電源電壓方面不斷取得進展。另一方面，如果空間允許，使用標準格式的嵌入式處理器板卡可提供一種更高級的方法。不過標準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計有關的寶貴的知識產(chǎn)權，使逆向工程更加難以實現(xiàn)。僅查看封裝上的器件數(shù)量不足以對硬件設計解碼。此外，有些半導體芯片也不容易在公開市場上買到。

之前關于在防務系統(tǒng)中繼續(xù)使用混合電路和模塊的觀點仍然有效。不過，重要的是要認識到，防務設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。在技術和商用因素的驅動下，基于模塊的解決方案出現(xiàn)了明顯的勢頭。開關電源和信號鏈路是尤其適合用模塊實現(xiàn)的兩類應用，因為高效率設計需要專門知識，這在今天的防務設計團隊中是稀缺品。

μModule 產(chǎn)品是如今的 COTS模塊的一個例子， 2005 年推出，首批產(chǎn)品中有一個完整的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，可簡化設計并最大限度減少外部組件。從內(nèi)部看，布局和設計都為提高電氣性能和熱效率進行了優(yōu)化。這些μModule 產(chǎn)品按照業(yè)界高標準開發(fā)，提供出色的可靠性，并接近標準 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 溫 度 級 版 本μModule 產(chǎn)品在 -55 ℃ 和 +125 ℃ 時通過 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電子電路可靠性的首選技術。隨著半導體行業(yè)日益商品化，產(chǎn)品生命周期與國防行業(yè)設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 模塊以專用標準產(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。隨著防務設備提供商爭取新的競爭優(yōu)勢、認識到讓稀缺設計資源集中于增強核心能力的重要性，這些專用標準產(chǎn)品也得到了廣泛采用。

如今，國防預算壓力和更短的設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 模塊越來越成為防務和航空航天行業(yè)的首選技術。