Die Hybrid- und Modultechnologie hat sich in den vergangenen mehr als 50 Jahren weiterentwickelt und hat in Form von COTS (Commercial-Off-The-Shelf) einen großen Anteil bei der Reduzierung der Designzyklen. Außerdem wird das Risiko von Abkündigungen vermindert und die Herausforderungen durch SWaP (Size, Weight and Power / Größe, Gewicht und Leistung) adressiert. Hier eine Betrachtung der Geschichte der Technologie und die Untersuchung einiger Faktoren, die für die Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie wichtig sind.

Erste Hybride

In den späten 1950 Jahren gab es große Fortschritte durch die Verwendung von Transistoren in Computern. Die Schaltungsboards wurden durch die Verbindung von tausenden Transistoren, Dioden, Widerständen und Kondensatoren komplexer. Da kam es zum Ruf zu höherer Dichte und Zuverlässigkeit, was zu Lösungen mit hybriden Schaltungen führte. Besonders die Militärs waren an diesen Lösungen interessiert. 1958 drängte die US Army die Firma RCA das “micro-module” Konzept zu entwickeln. Der Ansatz waren extern konfigurierbare gleichgroße Würfel, die einfach aneinander geklippt werden konnten. Im Inneren wurden kleine Wafer mit vielen diskreten Komponenten vertikal gestapelt und an den Kanten elektrisch verbunden. So wurde die Komponentendichte mehr als verdoppelt und die Zuverlässigkeit um den Faktor 6 erhöht. Das Militär war davon sehr angetan und investierte in den folgenden Jahren weiter in diese Technologie. Nach einem Artikel in der Electronic Engineering Times von 1962, kostete ein Modul mit 10 Komponenten 52 US Dollar, das waren etwa 2,5-mal die Kosten einer konventionellen Leiterplattenlösung mit diskreten Komponenten.

Ungeachtet der Kosten waren die RCA Micro-Module sehr erfolgreich; hatten aber eine kurze Lebensdauer, wobei auch die Erfindung der integrierten Schaltungen (IC) dazu beigetragen hat. Die frühen ICs fanden trotz des 9-fach teureren Preises das Gefallen der Militär- und Regierungsprogramme. Ein bemerkenswertes Projekt war der von Raytheon entwickelte Apollo Guidance Computer für die NASA.

Mit der schnellen Weiterentwicklung der ICs wurden deren Vorteile gegenüber den Hybriden und Modulen bald erkannt. Da überrascht es, dass die Technologie der Hybridschaltungen insgesamt überlebt hat. Die Militärs stellten aber weitergehende Überlegungen an, besonders wegen der Produktstabilität und Langzeitverfügbarkeit, wegen der Zuverlässigkeit, dem Nutzen gegenüber von Innovationen und den komplexen Betriebsanforderungen. Diese Faktoren, zusammen mit den speziellen technischen Vorteilen der Hybride und Module, haben zweifellos zum weiterhin kontinuierlichen Gebrauch über die vergangenen 50 Jahre geführt.

Integration

In der Zeitspanne, die dieser Artikel abdeckt, revolutionierte die ASIC-Technologie die Industrie. Anfänglich zeigte die Gate Arrays mit einigen hundert Gattern den Militärs einen neuen Weg, die digitale Integration zu erhöhen. Mit zunehmender Gatterdichte und den verfügbaren Entwicklungswerkzeugen waren die Tage der Hybridschaltungen gezählt. In den späten 1980 Jahren erkannten die Militärs den Erfolg der digitalen ASICs, und wollten diese Technologie für Mixed-Signal Schaltungen nutzen. Der Zwang zu weiterer Miniaturisierung war auschlaggebend, da die militärischen Systeme immer komplexer wurden und die Budgets dafür vorhanden. Aber es gab Schwierigkeiten bei der Adaption von analogen Designs in Kundenschaltungen. Mixed-Signal-ASICs blieben sehr resourcenintensiv und Vollkundendesigns waren stark abhängig von den Fähigkeiten der Entwicklungsteams bei den Halbleiterherstellern. Während es große Fortschritte bei Entwicklungswerkzeugen und der Technologie gab, bestanden weiterhin die bekannten Probleme bei der Umsetzung und Implementierung der Analogfunktionen in Semi-Custom-Schaltungen. Deshalb boten Hybridschaltungen weiterhin ein Mittel der Integration der verschiedenen High-Performance-Analoge und Signal-Chain-Funktionen in unterschiedlichen Prozesstechnologien in einem Gehäuse, wo andere ab Lager verfügbare Komponenten nicht ausreichten.

Performance

Militärische Systeme und die der Luftfahrt werden generell auf der Basis von modularen Sub-Systemen entwickelt. Z.B. vereinfachen vor Ort austauschbare Einheiten (line replaceable units, LRUs) die Wartung und den Betrieb. Die Verbindung der LRUs untereinander beruht auf Standards wie dem MIL-STD-1553 Bus Interface. Die Implementierung dieser Funktion in Hybride, Module, ASIC-Makros oder Standardboards wurden letztendlich Application Specific Standard Products (ASSPs) und Building Blocks.

Mit dem Einsatz von Standard-Bussystemen ergaben sich zwei wichtige Vorteile. Erstens war bezüglich der Kommunikation nichts gewonnen, wollte man das Rad nicht neu erfinden; die Entwickler konnten sich für die Hauptfunktion der Schaltung auf ihre Kernkompetenz beim Systemdesign konzentrieren. Zweitens nutzen Militär- und Luftfahrtanwender nur wenige Standard IC-Lösungen. Sie entwickeln Lösungen auf Boardebene, was gegenüber den monolithischen ASSPs realistischer ist.

Die Leistungsanforderungen an die Stromversorgungsmodule stiegen in zunehmenden Maße wie die bei den Hybridmodulen an. In diesen erfüllte der Einsatz von hermetisch dichten Metallgehäusen die hohen militärischen Anforderungen an die Leistungsdichte und an das thermische Management bei hohen Temperaturen. Der zunehmende Strombedarf der großen FPGAs und Mikroprozessoren, forderten effizientere Powerarchitekturen und Point-of-Load-Reglern (POL) in Form neuer Modullösungen.

In Applikationen wie z.B. Radar beruhten HF- und Mikrowellen-Lösungen lange auf Hybriden und Modulen. In neuester Zeit gibt es aber monolithische ICs, die die meisten Anforderungen erfüllen, wobei aber in den modernen parallelen Phased Array-Radargeräten bevorzugt wieder Modullösungen zum Einsatz kommen.

Liefersicherheit

Die Abkündigung von Produkten ist ein akutes Problem für die Militärs. Da sind Einsatzzeiten über 30 bis 50 Jahre üblich und die Geräteanbieter müssen laufend auf der Hut sein, Risiken durch Abkündigungen zu minimieren. Mit dem Einsatz von Hybriden und Modulen schützt sich die Militärelektronik vor den schnellen Änderungen, wie sie in der Halbleiterindustrie vorkommen. Das betrifft vor allem die Speichermodule mit den kurzen Zyklen in der DRAM- und SRAM-Technologie. Durch Standardabmessungen und -anschlussbelegung bei den Hybriden und Modulen kann man dem aus dem Wege gehen. Man muss nur die Speicherwafer im Modul updaten. Darüber zu schreiben ist aber einfacher, als es in der Praxis umzusetzen ist, da es bei den Speichern laufend Fortschritte bei Zugriffszeit, bei den Architekturen und bei den Versorgungsspannungen gibt. Mit embedded Prozessorboards im Standardformat erzielt man bei Platzbeschränkungen eine noch bessere Leistungssteigerung. Die Überlegung mit den Standardabmessungen bei den Hybrid- und Modullösungen passt gut in die Abkündigungsmanagement-Strategien und ist sicher einer der Hauptfaktoren für die Lebensdauerüberlegungen bei Hybriden und Modulen.

Hybrid- und Modullösungen haben weitere Vorteile, da diese Vollkundenmodule verwendet werden können, um das wertvolle geistige Eigentum IP verbunden mit dem Hardwaredesign zu schützen und das Reverse Engineering zu erschweren. Da genügt der einfache Blick auf die Teilenummer des Gehäuses nicht, um das Hardwaredesign zu erforschen. Darüber hinaus sind die Halbleiterwafer am offenen Markt nicht leicht zu bekommen.

Von Full Custom zu den modernen COTS

Die bisher genannten Argumente für die weiter fortgesetzte Nutzung von Hybrid- und Modullösungen in Militärsystemen blieben erhalten. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Druck auf die Hersteller von Militärgerät so groß ist wie nie zuvor, besonders bei den Kosten und bei der Markteinführung – time to market.

Vollkundenhybrid Designs sind teuer und erfordern eine lange Entwicklungszeit. Monolithische IC-Lösungen wurden über die Jahre mehr und mehr verfügbar, während neue Hybriddesigns weiterhin von den meisten Militärzulieferern entwickelt wurden. Dabei ist ein Trend erkennbar, dass wegen rückläufiger Stückzahlen mehr outgesourced wurde.

Bei den COTS-Modulen ergibt sich ein anderes Bild. Da hat sich wegen technischer und kommerzieller Überlegungen eine Eigendynamik in Richtung Modul-basierter Lösungen ergeben. Schaltnetzteile und die Komponenten der Signalkette sind die zwei Gebiete, die sich gut für eine Modul-Implementierung eignen, da hier effiziente Designs ein Spezialwissen erfordern, das in den militärischen Designteams kaum vorhanden ist.

Einsatz von μModule® Produkten

μModule sind ein Beispiel moderner COTS-Module. Das erste von Linear Technology 2005 in den Markt eingeführte Produkt war ein kompletter 12 A DC/DC Regler in einem quadratischen 15 mm SMD (Bild 1).


Bild 1. 12A μModule DC/DC Regler LTM4601AHV

Es folgte eine komplette Familie an μModulen einschließlich eines breiten Angebots an Leistungs-, Interface- und Signalchain-Produkten wie die kürzlich in den Markt eingeführten LTM9100 (Bild 2) und ADAQ7980 (Bild 3).


Bild 2. Der LTM9100 ist ein isolierter Hochspannungs-Schaltcontroller mit Telemetrie


Bild 3. Blockschaltbild des 16-bit 1Msps Datenerfassungs-Subsystem ADAQ7980

Gehäuseformen der COTS-Module

Ähnlich einem Surface Mount-IC, enthält jeder μModule-Regler eine komplette System-in-a-Package Lösung, die das Design vereinfacht und die Zahl der externen Komponenten minimiert. Intern sind Layout und Design für elektrische Performance und thermische Effizienz optimiert. Aufgebaut auf den höchsten Industriestandards, bieten diese μModule die beste Zuverlässigkeit, die an die von Standard ICs heranreicht. Für die verschiedenen Temperatureinsatzbereiche gibt es LGA (Land Grid Array) Gehäuse mit vergoldeten Anschlusspads und BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) mit SAC305- oder SnPb-Lötanschlüssen.



Bild 4. Zwei μModule Regler im LGA- und im BGA- Gehäuse

Wenn erforderlich, bieten die MIL-Versionen der μModule garantierte 100 % elektrisch getestet Datenblattwerte im Bereich von ̶55º C bis +125º C.

Schlussbemerkung

Vor 50 Jahren waren Hybride und Module die Technologie, um Schaltungen zu verkleinern und deren Zuverlässigkeit zu erhöhen. Als aber die Halbleiter zur Massenware wurden und sich die Lebensdauerzyklen von denen der Militärs unterschieden, fand sich eine neue Rolle für Hybride und Module, da sie das Abkündigungsrisiko verminderten. ASICs wurden der bevorzugte Weg für die Integration der Digitalelektronik, Hybridmodule dagegen fanden ihre Nische bei der Lösung schwieriger analoge Probleme.

In der Zwischenzeit haben sich die COTS-Module in Form von ASSPs entwickelt, vor allem für Stromversorgungen, Prozessoren, Signalketten und Schnittstellen. Das haben die Anbieter von Militärgeräten erkannt und adaptiert.

Heutzutage sind Vollkundenhybride wegen des Kostendrucks auf die Militärs und der kürzeren Designzyklen in zunehmenden Maße eine brauchbare Lösung über lange Zeit. Ohne Zweifel wird die Technologie der COTS-Module dabei die erste Wahl für die Militär- und Luftfahrtindustrie sein.

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Autor: Steve Munns, Mil-Aero Marketing Manager © Analog Devices Inc. (vormals Linear Technology)