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© janaka dharmasena / dreamstime.com Application Notes | 07 Dezember 2017

Eine kurze Geschichte zur Hybrid- und Modultechnologie

Warum sie weiterhin die erste Wahl der GehĂ€usetechnologie fĂŒr höchst zuverlĂ€ssige Applikationen ist.
Das ist eine ProduktankĂŒndigung von Linear Technology. Allein der Emittent ist fĂŒr den Inhalt verantwortlich.
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 AbkĂŒndigungen vermindert und die Herausforderungen durch SWaP (Size, Weight and Power / GrĂ¶ĂŸe, Gewicht und Leistung) adressiert. Hier eine Betrachtung der Geschichte der Technologie und die Untersuchung einiger Faktoren, die fĂŒr die Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie wichtig sind.

Erste Hybride

In den spĂ€ten 1950 Jahren gab es große Fortschritte durch die Verwendung von Transistoren in Computern. Die Schaltungsboards wurden durch die Verbindung von tausenden Transistoren, Dioden, WiderstĂ€nden und Kondensatoren komplexer. Da kam es zum Ruf zu höherer Dichte und ZuverlĂ€ssigkeit, was zu Lösungen mit hybriden Schaltungen fĂŒhrte. Besonders die MilitĂ€rs waren an diesen Lösungen interessiert. 1958 drĂ€ngte die US Army die Firma RCA das “micro-module” Konzept zu entwickeln. Der Ansatz waren extern konfigurierbare gleichgroße WĂŒrfel, 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 ZuverlĂ€ssigkeit um den Faktor 6 erhöht. Das MilitĂ€r 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 frĂŒhen ICs fanden trotz des 9-fach teureren Preises das Gefallen der MilitĂ€r- und Regierungsprogramme. Ein bemerkenswertes Projekt war der von Raytheon entwickelte Apollo Guidance Computer fĂŒr die NASA.

Mit der schnellen Weiterentwicklung der ICs wurden deren Vorteile gegenĂŒber den Hybriden und Modulen bald erkannt. Da ĂŒberrascht es, dass die Technologie der Hybridschaltungen insgesamt ĂŒberlebt hat. Die MilitĂ€rs stellten aber weitergehende Überlegungen an, besonders wegen der ProduktstabilitĂ€t und LangzeitverfĂŒgbarkeit, wegen der ZuverlĂ€ssigkeit, dem Nutzen gegenĂŒber von Innovationen und den komplexen Betriebsanforderungen. Diese Faktoren, zusammen mit den speziellen technischen Vorteilen der Hybride und Module, haben zweifellos zum weiterhin kontinuierlichen Gebrauch ĂŒber die vergangenen 50 Jahre gefĂŒhrt.

Integration

In der Zeitspanne, die dieser Artikel abdeckt, revolutionierte die ASIC-Technologie die Industrie. AnfĂ€nglich zeigte die Gate Arrays mit einigen hundert Gattern den MilitĂ€rs einen neuen Weg, die digitale Integration zu erhöhen. Mit zunehmender Gatterdichte und den verfĂŒgbaren Entwicklungswerkzeugen waren die Tage der Hybridschaltungen gezĂ€hlt. In den spĂ€ten 1980 Jahren erkannten die MilitĂ€rs den Erfolg der digitalen ASICs, und wollten diese Technologie fĂŒr Mixed-Signal Schaltungen nutzen. Der Zwang zu weiterer Miniaturisierung war auschlaggebend, da die militĂ€rischen Systeme immer komplexer wurden und die Budgets dafĂŒr vorhanden. Aber es gab Schwierigkeiten bei der Adaption von analogen Designs in Kundenschaltungen. Mixed-Signal-ASICs blieben sehr resourcenintensiv und Vollkundendesigns waren stark abhĂ€ngig von den FĂ€higkeiten der Entwicklungsteams bei den Halbleiterherstellern. WĂ€hrend 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 GehĂ€use, wo andere ab Lager verfĂŒgbare Komponenten nicht ausreichten.

Performance

MilitÀrische 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 bezĂŒglich der Kommunikation nichts gewonnen, wollte man das Rad nicht neu erfinden; die Entwickler konnten sich fĂŒr die Hauptfunktion der Schaltung auf ihre Kernkompetenz beim Systemdesign konzentrieren. Zweitens nutzen MilitĂ€r- und Luftfahrtanwender nur wenige Standard IC-Lösungen. Sie entwickeln Lösungen auf Boardebene, was gegenĂŒber den monolithischen ASSPs realistischer ist.

Die Leistungsanforderungen an die Stromversorgungsmodule stiegen in zunehmenden Maße wie die bei den Hybridmodulen an. In diesen erfĂŒllte der Einsatz von hermetisch dichten MetallgehĂ€usen die hohen militĂ€rischen 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 erfĂŒllen, wobei aber in den modernen parallelen Phased Array-RadargerĂ€ten bevorzugt wieder Modullösungen zum Einsatz kommen.

Liefersicherheit

Die AbkĂŒndigung von Produkten ist ein akutes Problem fĂŒr die MilitĂ€rs. Da sind Einsatzzeiten ĂŒber 30 bis 50 Jahre ĂŒblich und die GerĂ€teanbieter mĂŒssen laufend auf der Hut sein, Risiken durch AbkĂŒndigungen zu minimieren. Mit dem Einsatz von Hybriden und Modulen schĂŒtzt sich die MilitĂ€relektronik 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. DarĂŒber 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 PlatzbeschrĂ€nkungen eine noch bessere Leistungssteigerung. Die Überlegung mit den Standardabmessungen bei den Hybrid- und Modullösungen passt gut in die AbkĂŒndigungsmanagement-Strategien und ist sicher einer der Hauptfaktoren fĂŒr die LebensdauerĂŒberlegungen 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 schĂŒtzen und das Reverse Engineering zu erschweren. Da genĂŒgt der einfache Blick auf die Teilenummer des GehĂ€uses nicht, um das Hardwaredesign zu erforschen. DarĂŒber hinaus sind die Halbleiterwafer am offenen Markt nicht leicht zu bekommen.

Von Full Custom zu den modernen COTS

Die bisher genannten Argumente fĂŒr die weiter fortgesetzte Nutzung von Hybrid- und Modullösungen in MilitĂ€rsystemen blieben erhalten. Dabei ist zu berĂŒcksichtigen, dass der Druck auf die Hersteller von MilitĂ€rgerĂ€t so groß ist wie nie zuvor, besonders bei den Kosten und bei der MarkteinfĂŒhrung – time to market.

Vollkundenhybrid Designs sind teuer und erfordern eine lange Entwicklungszeit. Monolithische IC-Lösungen wurden ĂŒber die Jahre mehr und mehr verfĂŒgbar, wĂ€hrend neue Hybriddesigns weiterhin von den meisten MilitĂ€rzulieferern entwickelt wurden. Dabei ist ein Trend erkennbar, dass wegen rĂŒcklĂ€ufiger StĂŒckzahlen 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 fĂŒr eine Modul-Implementierung eignen, da hier effiziente Designs ein Spezialwissen erfordern, das in den militĂ€rischen Designteams kaum vorhanden ist.

Einsatz von ÎŒModuleÂź Produkten

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


Bild 1. 12A ÎŒModule DC/DC Regler LTM4601AHV

Es folgte eine komplette Familie an ÎŒModulen einschließlich eines breiten Angebots an Leistungs-, Interface- und Signalchain-Produkten wie die kĂŒrzlich in den Markt eingefĂŒhrten 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

GehÀuseformen der COTS-Module

Ähnlich einem Surface Mount-IC, enthĂ€lt jeder ÎŒModule-Regler eine komplette System-in-a-Package Lösung, die das Design vereinfacht und die Zahl der externen Komponenten minimiert. Intern sind Layout und Design fĂŒr elektrische Performance und thermische Effizienz optimiert. Aufgebaut auf den höchsten Industriestandards, bieten diese ÎŒModule die beste ZuverlĂ€ssigkeit, die an die von Standard ICs heranreicht. FĂŒr die verschiedenen Temperatureinsatzbereiche gibt es LGA (Land Grid Array) GehĂ€use mit vergoldeten Anschlusspads und BGA-GehĂ€use (Ball Grid Array) mit SAC305- oder SnPb-LötanschlĂŒssen.



Bild 4. Zwei ÎŒModule Regler im LGA- und im BGA- GehĂ€use

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

Schlussbemerkung

Vor 50 Jahren waren Hybride und Module die Technologie, um Schaltungen zu verkleinern und deren ZuverlĂ€ssigkeit zu erhöhen. Als aber die Halbleiter zur Massenware wurden und sich die Lebensdauerzyklen von denen der MilitĂ€rs unterschieden, fand sich eine neue Rolle fĂŒr Hybride und Module, da sie das AbkĂŒndigungsrisiko verminderten. ASICs wurden der bevorzugte Weg fĂŒr 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 fĂŒr Stromversorgungen, Prozessoren, Signalketten und Schnittstellen. Das haben die Anbieter von MilitĂ€rgerĂ€ten erkannt und adaptiert.

Heutzutage sind Vollkundenhybride wegen des Kostendrucks auf die MilitĂ€rs und der kĂŒrzeren Designzyklen in zunehmenden Maße eine brauchbare Lösung ĂŒber lange Zeit. Ohne Zweifel wird die Technologie der COTS-Module dabei die erste Wahl fĂŒr die MilitĂ€r- und Luftfahrtindustrie sein.

Autor: Steve Munns, Mil-Aero Marketing Manager © Analog Devices Inc. (vormals Linear Technology)
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2019.01.17 14:20 V11.11.0-2