雖然通過數字射頻存儲器 (DRFM) 微電子技術將自我保護能力整合到精確制導武器中可緩解敵對電子攻擊所產生的幹擾, 但是常規DRFM微電子器件過於龐大, 難以應用於現代智能武器裝備. 甚至專為典型機載電子設備設計的, 經尺寸, 重量和功耗 (SWaP) 優化的微電子器件都難以整合到武器之中.
為製造出符合武器整合要求的全新DRFM微電子器件, 需要採用集三維堆疊技術, 先進微型化技術及器件加固技術於一身的全新, 模組化方案. 模組化之所以至關重要, 原因有很多:
• 模組化架構有助於通過在印刷電路板 (PCB) 垂直堆疊結構中添加新電路板的途徑來增加器件未來功能和/或實現更高的器件性能. 隨著在射頻性能提升和訊號處理新技術領域的進展不斷被商業化, 這種由模組化架構帶來的靈活的器件升級和擴展能力還有助於快速解除新產生的技術威脅.
• 將對雜訊敏感的射頻組件與位於模組中其他地方的數字組件分離, 可使整個感測器鏈條達到更高的性能水平.
• 模組化有助於在早期發現並解決製造過程中可能出現的異常, 以防止這些異常在DRFM模組全部組裝完成後造成無法挽回的嚴重後果. 這對於縮短製造周期, 提升生產效率和節約製造成本具有重要的意義.
對類比電路的優化
在典型的DRFM器件中, 大部分可分配的設計空間都被類比組件和相應的電路所佔據. 實現器件小型化最簡單的方法就是減少製造材料清單中所包含組件的數量. 儘管這一方法簡單易行, 但畢竟縮減器件數量的空間有限, 而且器件數量縮減後必將會對器件的綜合性能產生不利影響. 因此還需要探索可實現DRFM器件類比電路小型化的其他途徑.
然而, 僅僅縮小類比電路的尺寸對於DRFM器件優化來說還遠遠不夠. 智能武器的典型應用環境要求DRFM器件內的所有部件都要進行加固, 以承受可預期的最為嚴酷的任務執行環境. 小型DRFM模組必須能承受高頻機械震動, 發射時的高加速度, 極端熱衝擊, 潮濕, 海水或其他腐蝕性環境等極端環境條件的考驗. 要同時滿足小型化和有效加固的要求, DRFM器件架構師需要重新對類比電路的設計方案進行徹底的評估.
為此, 美國水星系統公司開發出微型射頻多晶片模組 (MCM) . 該模組的封裝尺寸較典型DRFM器件中類比電路的尺寸縮小了3倍, 目前已實現商業化. 模組底部是球柵陣列 (BGA) , 其中的焊錫球可通過電路板獲取電能和所需的訊號. 考慮到器件嚴格的空間限制, 為權衡器件機械完整性和散熱設計, 水星系統公司選擇並採用了特殊的電路板材料.
雖然在條件允許的情況下, 採用裸晶片集件可成功實現對射頻多晶片模組的小型化. 但是, 並非所有的組件都能以裸片的形式進行整合. 因此, 晶片導線結構和表面安裝技術也必須融合到模組的設計當中. 在保證不出現可靠性風險的前提下, 必須特別注意對於非裸片組件及其它結構所佔空間的最小化. 目前, 很少有製造商能夠在單一生產車間內建立起這種混合製造能力; 能擴大生產規模並實現大批量生產的企業更是鳳毛麟角.
在小型化的過程中, 多晶片模組內組件的封裝密度必須與器件機械完整性要求相匹配. 為此, 水星系統公司在滿足器件機械完整性要求和器件尺寸, 重量, 功耗極端受限的情況下, 通過對電路板高度進行最佳化設計和減小模組電路板隔離壁厚度, 成功將多晶片模組的封裝密度提升至最大.
對數字電路的優化
DRFM模組的典型數字電路組件是非易失性存儲器和一個處理器或現場可編程門陣列 (FPGA) . 為完成DRFM應用程序的密集處理需求, 通常需要器件具備幾個吉比特位元組的存儲能力. 在上述製造微型DRFM器件所要滿足的空間和加固條件限制下, 繼續採用傳統雙列直插式記憶體模組 (DIMM) 是不可能實現如此之大的存儲能力的.
具有球柵陣列機械和電氣介面的存儲器件可從商業記憶體製造商那裡獲得. 帶有含鉛焊錫的球柵陣列器件在軍事應用中的可靠性雖已被證實. 但是, DRFM應用程序所需要的記憶體容量可能會超出由記憶體製造商提供的單個BGA存儲器件的記憶體容量. 這意味著, 微型DRFM器件數字模組中的寶貴空間將會被多個存儲器件快速消耗掉. 一個潛在的辦法是在三維DRFM堆棧中添加一個額外的記憶體專用電路板. 但是, 該方法在犧牲了本就稀缺的三維空間的同時, 還大大增加了器件整體設計的複雜性.
近年來, 三維封裝技術取得了長足的進步. 在單次封裝過程中, 採用具備誤差校正控制功能的多存儲器件垂直堆疊和互連技術相比於分立器件平面陣列可節約高達85%的二維電路板空間. 而且, 這種空間節省是在不犧牲器件技術規格的情況下實現的. 採用這種三維封裝方案, 可在單個高可靠性模組中整合多達18個存儲單元器件, 能支援絕大多數處理密集型應用程序的需求.
採用存儲器垂直堆疊技術不需要犧牲器件的三維空間. 利用現代化晶片減薄工藝可生產出高度小於2.5毫米的整合存儲模組. 基於可用空間的大小, 將低端存儲器件置於電路板的背面可能是有益的, 這樣可在電路板的正面為整合其他組件釋放出部分空間.
關於下一代智能武器——意義與建議
當前, 安全威脅的發展速度比以往任何時期都要快. 因此, 武器系統內整合微電器件的射頻性能和複雜性都需要得到繼續提升. 僅實現微電子器件的小型化和加固對發展下一代智能武器來說還遠遠不夠, 必須從模組化和系統整體優化的角度出發, 結合實際軍事應用場景對器件進行有針對性的設計.
精確制導技術的應用是20世紀國防工業的一個重要裡程碑. 21世紀, DRFM微電子技術的引入, 有望使精確制導武器具備對抗敵對電子戰襲擊的自我保護能力, 必將成為智能武器發展史上的又一個重要進步節點. 國防界應藉助這種商業技術的進步對智能武器裝備的微電子器件平台進行創新部署和升級.