德州儀器作者:Philip Pratt
太空任務的電子產品面臨獨特的條件和挑戰 – 專用積體電路 (IC) 封裝有助於緩解其中的一些挑戰。TI 長期優先開發商業 (非太空) 用途的裝置;只有完成塑膠封裝的驗證後,工程團隊才開始進行陶瓷設計。不過,陶瓷封裝通常與塑膠封裝不相容,因此需要開發新的測試和表徵硬體,陶瓷封裝測試解決方案才能滿足大規模生產的要求。設計人員必須等待陶瓷封裝裝置完成才能開始建立原型,或是按照塑膠封裝的 IC 建立原型並在陶瓷樣品做出時重新設計和重新製作電路板,而這些作法對於太空硬體設計人員帶來問題。
什麼是 SHP?
TI 開發稱為太空高級塑膠 (SHP) 的新裝置篩檢規格,適用於採用工業應用的傳統塑膠封裝建構的航太級裝置。SHP 包括塑膠基板球柵陣列 (BGA) 和塑膠封裝。SHP 認證等級生產的裝置適用於通常與陶瓷合格製造商清單 (QML) V 類裝置一起使用的艱鉅任務設定檔。
SHP 等級代表在對於艱鉅的太空任務很重要的許多參數方面高於 TI 太空強化型產品的可靠性等級。如表 1 中所列,最重要的差異是更高的單粒子閉鎖抗擾度、更高的總電離劑量、生產老化和各批晶圓的壽命測試。
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太空強化型產品 |
SHP |
QML-P* |
QML-Y** |
QML-V |
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規格持有者 |
TI |
TI |
國防後勤局 (DLA)/電子裝置工業委員會 (JEDEC) |
DLA/JEDEC |
DLA/JEDEC |
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封裝 |
塑膠基板或封裝 |
塑膠基板或封裝 |
塑膠封裝 |
陶瓷基板 (塑膠基板**) |
陶瓷 |
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密閉 |
無 |
無 |
無 |
無 |
有 |
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單一控制基準 |
有 |
有 |
有 |
有 |
有 |
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接合打線 (使用時) |
金 |
金 |
金 |
金 |
鋁 |
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是否有純錫? |
無 |
無 |
無 |
無 |
無 |
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生產老化 |
無 |
有 |
有 |
有 |
有 |
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根據美國材料試驗協會 (ASTM) E595 進行釋氣測試 |
有 |
有 |
有 |
不適用** |
不適用 (無塑膠) |
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批次溫度循環 |
批次等級 |
D 組 |
D 組 |
D 組 |
D 組 |
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批次等級高加速應力測試 (HAST) |
有 |
D 組 |
D 組 |
D 組 |
不適用 |
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各捲盤可能有多個晶圓批次 |
無 |
無 |
無 |
無 |
無 |
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各晶圓批次的壽命測試 |
無 |
有 |
有 |
有 |
有 |
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TI 規格需要下列項目 |
QML 規格不需要下列項目 |
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TI 輻射 (TID) 批次驗收 (RLAT / RHA) |
全部 SEP 和 SHP 都有 RLAT |
這些類別的 TI 零件通常透過 RLAT 進行 RHA,不過確實因產品而異 (全部新零件都將有 RLAT) |
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單一事件閂鎖 (SEL) 測試 (等級可能因產品而異) |
TI = 43 MeV |
在這些篩檢等級,TI 產品通常為 60MeV 至 120MeV |
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輻射,總電離劑量 (TID) (等級可能因產品而異) |
TI = 30krad 至 50krad (RT,耐輻射) |
在這些篩檢等級,TI 產品通常為 50krad 至 300krad (RHA,抗輻射保證) |
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*QML P 類:2022 年的 JEDEC/DLA 審查 **QML Y 類:2022 年 DLA/JEDEC 審查中的塑膠基板。如果允許使用塑膠,將加入釋氣。
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表 1:將 TI 的 SHP 認證類別與其他已知或研擬的標準進行比較
透過採用航太級和工業級針腳排列和基本封裝的塑膠封裝,可以減輕設計挑戰。除了減少開發時間和資源之外,太空應用設計人員也應該考量塑膠封裝的熱效率、尺寸和頻寬優勢。
設計挑戰 1:熱效率
傳統的密封陶瓷封裝設計需要將晶粒放入空腔中並將外蓋焊接到空腔頂部以防潮濕。這種設計在晶粒和金屬外蓋之間留下氣隙,很難用熱環氧樹脂接合。採用倒裝晶片 BGA SHP 封裝,金屬外蓋透過導熱環氧樹脂直接連接到倒裝晶片背面;沒有氣隙需要填補。
TI 發現從晶粒到封裝的熱效率都有所改善,熱阻從柱柵陣列陶瓷封裝的約 16 C/W 降低到塑膠 BGA 封裝的約 0.8 C/W。藉由實現晶片周圍的系統在高溫下運作並保持穩定,就能夠減少系統的尺寸、重量和成本,不需要流體泵、額外的散熱器金屬或其他散熱系統即可散熱。
設計挑戰 2:尺寸限制
航太工業根據尺寸和重量計算發射成本,因此更小、更輕的解決方案發射到軌道的成本更低。倒裝晶片 BGA 封裝的總封裝尺寸在各方面都小於陶瓷封裝。圖 1 說明 10 公釐 x 10 公釐 x 1.9 公釐 ADC12DJ5200-SP 和 ADC12QJ1600-SP (共用此封裝) 相對於前一代 15 公釐 x 15 公釐 x 6.2 公釐陶瓷 ADC12DJ3200QML-SP 達到的封裝尺寸改善。
圖 1:比較幾代航太級 ADC 的封裝尺寸
設計挑戰 3:增加頻寬
對於倒裝晶片封裝中的高頻產品,相較於陶瓷,塑膠具有更優越的電氣性能,原因如下:
- 塑膠封裝之中有機基板的相對介電常數約為 3.7;對於陶瓷則為 9.8。因此,塑膠封裝的相鄰訊號線之間的電容耦合減少 2.5 倍以上,因而改善串擾和訊號完整性。
- 較低的介電常數有助於建立 100 Ω 差分線和 50 Ω 單端線,達到更小的線對線間距和更小的線對地間距,相較於陶瓷,能夠在塑膠基板中使用更高密度控制的阻抗線。
- 電容較低的塑膠基板能夠改善關鍵類比訊號的頻寬和回波損耗。
此外,相較於陶瓷基板中使用的鎢,塑膠基板使用銅做為訊號線和線路而提高頻寬。相較於鎢,銅的電阻減少三分之一以上。
結論
相較於傳統陶瓷封裝,TI 的 SHP 航太認證等級可提高熱效率、縮小佔用空間並提高頻寬。工業級和航太級版本之間的通用封裝和針腳排列可供您在商業級裝置推出樣品後立即將最新技術運用到太空硬體設計中,因為商業產品的全部原型設計都與系統運作的航太級 SHP 產品相容。
其他資源
- 造訪 TI.com/space 瞭解我們的其他抗輻射和耐輻射產品。
- 參閱「TI 太空產品指南」瞭解最新發佈的太空產品。