Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
Bedeutung der Hybrid- und Modultechnologie für höchst zuverlässige Applikationen : Ausgabe 04/2018, 01.03.2018

Nutzen für Luft- und Raumfahrtindustrie

Die Hybrid- und Modultechnologie entwickelt sich seit 50 Jahren weiter 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) adressiert. Hier eine Betrachtung der Geschichte der Technologie und die Untersuchung einiger Faktoren, die für die Luftfahrt- und Raumfahrtindustrie wichtig sind.

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

Bilder: Linear

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 Dollar, das waren etwa 2,5-mal die Kosten einer konventionellen Leiterplattenlösung mit diskreten Komponenten.

Verschiedene Faktoren sprechen für Hybride und Module

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.

Schwierigkeiten bei Adaption von analogen Designs in Kundenschaltungen

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 1980er-Jahren erkannten die Militärs den Erfolg der digitalen ASICs, und wollten diese Technologie für Mixed-Signal- Schaltungen nutzen. Der Zwang zu weiterer Miniaturisierung war ausschlaggebend, da die militärischen Systeme immer komplexer wurden und die Budgets dafür vorhanden waren. 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.

Zunehmender Strombedarf der grossen FPGAs und Mikroprozessoren

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. 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 zunehmendem 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.

Lebensdauerüberlegungen bei Hybriden und Modulen

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 Militärgeräten 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 modulbasierter Lösungen ergeben. Schaltnetzteile und die Komponenten der Signalkette sind die zwei Gebiete, die sich gut für eine Modulimplementierung eignen, da hier effiziente Designs ein Spezialwissen erfordern, das in den militärischen Designteams kaum vorhanden ist.

Die Gehäuseformen der COTS-Module

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.

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 und ADAQ7980.

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.

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 analoger 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. 

Infoservice

Analog Devices power by Linear
Osterfeldstrasse 84, Haus C, DE-85737 Ismaning
Tel. 0049 89 962 45 50, Fax 0049 89 963 147
www.linear.com



Zwei μModule-Regler im LGA- und im BGA-Gehäuse (rechts)


Der LTM9100 ist ein isolierter Hochspannungs-Schaltcontroller mit Telemetrie


12-A-μModule-DC/DC-Regler LTM4601AHV