?混合電路和模塊技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史及分析

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。

1958年，美國(guó)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(lái)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(qián)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(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)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(guó)航空航天局（NASA）建造的“阿波羅制導(dǎo)計(jì)算機(jī)（ApolloGuidanceComputer）”。

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)，政府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(mén)的門(mén)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(mén)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，防務(wù)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)榉绖?wù)需要越來(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(hù)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(lài)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

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(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MILSTD-1553總線(xiàn)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(zhuān)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)有什么可取之處的，而且讓設(shè)計(jì)師專(zhuān)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)，防務(wù)和航空航天業(yè)是半導(dǎo)體的小用戶(hù)，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(mǎn)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(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(mǎn)足這類(lèi)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)防務(wù)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(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)镈RAM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)椋诖嫒r(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(mǎi)到。