虽然通过数字射频存储器 (DRFM) 微电子技术将自我保护能力集成到精确制导武器中可缓解敌对电子攻击所产生的干扰, 但是常规DRFM微电子器件过于庞大, 难以应用于现代智能武器装备. 甚至专为典型机载电子设备设计的, 经尺寸, 重量和功耗 (SWaP) 优化的微电子器件都难以集成到武器之中.
为制造出符合武器集成要求的全新DRFM微电子器件, 需要采用集三维堆叠技术, 先进微型化技术及器件加固技术于一身的全新, 模块化方案. 模块化之所以至关重要, 原因有很多:
• 模块化架构有助于通过在印刷电路板 (PCB) 垂直堆叠结构中添加新电路板的途径来增加器件未来功能和/或实现更高的器件性能. 随着在射频性能提升和信号处理新技术领域的进展不断被商业化, 这种由模块化架构带来的灵活的器件升级和扩展能力还有助于快速解除新产生的技术威胁.
• 将对噪声敏感的射频组件与位于模块中其他地方的数字组件分离, 可使整个传感器链条达到更高的性能水平.
• 模块化有助于在早期发现并解决制造过程中可能出现的异常, 以防止这些异常在DRFM模块全部组装完成后造成无法挽回的严重后果. 这对于缩短制造周期, 提升生产效率和节约制造成本具有重要的意义.
对模拟电路的优化
在典型的DRFM器件中, 大部分可分配的设计空间都被模拟组件和相应的电路所占据. 实现器件小型化最简单的方法就是减少制造材料清单中所包含组件的数量. 尽管这一方法简单易行, 但毕竟缩减器件数量的空间有限, 而且器件数量缩减后必将会对器件的综合性能产生不利影响. 因此还需要探索可实现DRFM器件模拟电路小型化的其他途径.
然而, 仅仅缩小模拟电路的尺寸对于DRFM器件优化来说还远远不够. 智能武器的典型应用环境要求DRFM器件内的所有部件都要进行加固, 以承受可预期的最为严酷的任务执行环境. 小型DRFM模块必须能承受高频机械震动, 发射时的高加速度, 极端热冲击, 潮湿, 海水或其他腐蚀性环境等极端环境条件的考验. 要同时满足小型化和有效加固的要求, DRFM器件架构师需要重新对模拟电路的设计方案进行彻底的评估.
为此, 美国水星系统公司开发出微型射频多芯片模块 (MCM) . 该模块的封装尺寸较典型DRFM器件中模拟电路的尺寸缩小了3倍, 目前已实现商业化. 模块底部是球栅阵列 (BGA) , 其中的焊锡球可通过电路板获取电能和所需的信号. 考虑到器件严格的空间限制, 为权衡器件机械完整性和散热设计, 水星系统公司选择并采用了特殊的电路板材料.
虽然在条件允许的情况下, 采用裸芯片组件可成功实现对射频多芯片模块的小型化. 但是, 并非所有的组件都能以裸片的形式进行集成. 因此, 芯片导线结构和表面安装技术也必须融合到模块的设计当中. 在保证不出现可靠性风险的前提下, 必须特别注意对于非裸片组件及其它结构所占空间的最小化. 目前, 很少有制造商能够在单一生产车间内建立起这种混合制造能力; 能扩大生产规模并实现大批量生产的企业更是凤毛麟角.
在小型化的过程中, 多芯片模块内组件的封装密度必须与器件机械完整性要求相匹配. 为此, 水星系统公司在满足器件机械完整性要求和器件尺寸, 重量, 功耗极端受限的情况下, 通过对电路板高度进行最优化设计和减小模块电路板隔离壁厚度, 成功将多芯片模块的封装密度提升至最大.
对数字电路的优化
DRFM模块的典型数字电路组件是非易失性存储器和一个处理器或现场可编程门阵列 (FPGA) . 为完成DRFM应用程序的密集处理需求, 通常需要器件具备几个吉比特字节的存储能力. 在上述制造微型DRFM器件所要满足的空间和加固条件限制下, 继续采用传统双列直插式内存模块 (DIMM) 是不可能实现如此之大的存储能力的.
具有球栅阵列机械和电气接口的存储器件可从商业内存制造商那里获得. 带有含铅焊锡的球栅阵列器件在军事应用中的可靠性虽已被证实. 但是, DRFM应用程序所需要的内存容量可能会超出由内存制造商提供的单个BGA存储器件的内存容量. 这意味着, 微型DRFM器件数字模块中的宝贵空间将会被多个存储器件快速消耗掉. 一个潜在的办法是在三维DRFM堆栈中添加一个额外的内存专用电路板. 但是, 该方法在牺牲了本就稀缺的三维空间的同时, 还大大增加了器件整体设计的复杂性.
近年来, 三维封装技术取得了长足的进步. 在单次封装过程中, 采用具备误差校正控制功能的多存储器件垂直堆叠和互连技术相比于分立器件平面阵列可节约高达85%的二维电路板空间. 而且, 这种空间节省是在不牺牲器件技术规格的情况下实现的. 采用这种三维封装方案, 可在单个高可靠性模块中集成多达18个存储单元器件, 能支持绝大多数处理密集型应用程序的需求.
采用存储器垂直堆叠技术不需要牺牲器件的三维空间. 利用现代化芯片减薄工艺可生产出高度小于2.5毫米的集成存储模块. 基于可用空间的大小, 将低端存储器件置于电路板的背面可能是有益的, 这样可在电路板的正面为集成其他组件释放出部分空间.
关于下一代智能武器——意义与建议
当前, 安全威胁的发展速度比以往任何时期都要快. 因此, 武器系统内集成微电器件的射频性能和复杂性都需要得到继续提升. 仅实现微电子器件的小型化和加固对发展下一代智能武器来说还远远不够, 必须从模块化和系统整体优化的角度出发, 结合实际军事应用场景对器件进行有针对性的设计.
精确制导技术的应用是20世纪国防工业的一个重要里程碑. 21世纪, DRFM微电子技术的引入, 有望使精确制导武器具备对抗敌对电子战袭击的自我保护能力, 必将成为智能武器发展史上的又一个重要进步节点. 国防界应借助这种商业技术的进步对智能武器装备的微电子器件平台进行创新部署和升级.