為了理解定義Maxim新型單片模塊封裝的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，首先需要了解一些電池備份存儲(chǔ)器產(chǎn)品的歷史。

自NV SRAM開(kāi)發(fā)開(kāi)始以來(lái)，其目的一直是生產(chǎn)一種可以像IC一樣處理的混合存儲(chǔ)器產(chǎn)品。使用商用低功耗SRAM和鋰紐扣電池配接CMOS晶圓技術(shù)，以及用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)器備用電源的通用電壓穩(wěn)定源。

為了理解定義Maxim新型單件模塊（SPM）封裝的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以及選擇錳鋰（ML）二次（可充電）電池化學(xué)成分作為能源，首先需要了解一些電池備份存儲(chǔ)器產(chǎn)品的歷史。隨著對(duì)導(dǎo)致這種電池化學(xué)選擇的許多問(wèn)題的了解，答案變得更加明顯，并且在技術(shù)上也更加合理。

“磚”——通孔組件

早期的混合模塊封裝概念遵循傳統(tǒng)的雙列直插式 （DIP） 封裝，因?yàn)闋I(yíng)銷(xiāo)任務(wù)是通過(guò)應(yīng)用更靈活的產(chǎn)品解決方案來(lái)捕獲 EPROM 插座。這些模塊易于連接，易于使用，如果在制造過(guò)程中處理得當(dāng)，則非常可靠。

含有一次鋰紐扣電池的產(chǎn)品的一個(gè)基本限制是，這些紐扣電池不能暴露在+85°C（+185°F）以上的溫度下。這種對(duì)大批量電路板組裝操作的處理限制迫使制造商在處理電池備份模塊時(shí)使用特殊的處理程序.電池制造商對(duì)集成電路應(yīng)用或印刷電路板組裝要求的熟悉程度有限，因此與電子制造相關(guān)的環(huán)境問(wèn)題本質(zhì)上是新的，對(duì)他們來(lái)說(shuō)是未知的。設(shè)計(jì)更耐熱的紐扣電池并不是當(dāng)時(shí)他們發(fā)展路線圖上的首要任務(wù)。

對(duì)于許多用戶來(lái)說(shuō)，DIP模塊封裝被親切地稱(chēng)為“磚”，但由于模塊的物理尺寸，許多潛在用戶很難找到它的空間。

DIP模塊產(chǎn)品在傳統(tǒng)的600mil寬引腳排列的基礎(chǔ)上占用相當(dāng)大的電路板面積，并且具有異常高的封裝輪廓。每次存儲(chǔ)器密度升級(jí)時(shí)，都必須修改電路布局，增加引腳并進(jìn)一步增加所需的電路板面積。對(duì)于全灌封結(jié)構(gòu)，這種額外的質(zhì)量也會(huì)影響最終的電路板振動(dòng)特性。

溫度暴露限制的常見(jiàn)解決方案是使用插座或手工焊接模塊。但是，使用這兩種解決方案中的任何一種，都會(huì)增加成本和/或不便。套接字連接問(wèn)題的引入也作為系統(tǒng)可靠性問(wèn)題浮出水面。

結(jié)果是一個(gè)大型但高度可靠的獨(dú)立內(nèi)存子系統(tǒng)，前提是它可以免受任何重大的熱暴露。

薄型模塊需要定制插座

為了解決DIP模塊的電路板面積和高度缺點(diǎn)，一些封裝創(chuàng)意導(dǎo)致了一種更薄的混合結(jié)構(gòu)，仍然無(wú)法承受直接焊接操作。高度減少了一半，電路板面積也減少了，但需要使用定制插座增加了系統(tǒng)的部件成本，并且還需要額外的下線組裝勞動(dòng)力來(lái)安裝模塊。

薄型模塊（LPM）在基本組件中具有與磚塊相同的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證可靠性，但不能直接焊接在客戶的應(yīng)用中。連接器完整性成為主要的現(xiàn)場(chǎng)可靠性問(wèn)題。

功率電容 — 幾乎與 SMT 兼容

基于插座的可靠性問(wèn)題，進(jìn)一步的封裝開(kāi)發(fā)工作側(cè)重于實(shí)現(xiàn)LPM的SMT兼容替代品。為了保護(hù)電池免受任何熱暴露，“產(chǎn)品”實(shí)際上是一個(gè)兩件式解決方案，其中鋰電池作為與組件底座分開(kāi)的物品進(jìn)行銷(xiāo)售、儲(chǔ)存和組裝。雖然兩件式產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了提供大批量、SMT 兼容產(chǎn)品的目標(biāo)，但采購(gòu)和組裝這兩件產(chǎn)品所增加的物流和勞動(dòng)力與 LPM 產(chǎn)品沒(méi)有太大區(qū)別。

此外，在電池電路中引入連接器將現(xiàn)場(chǎng)可靠性問(wèn)題從外部插座轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品本身。接觸完整性問(wèn)題，無(wú)論是由于電池蓋安裝不當(dāng)還是現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)暴露，都顯示出全焊接一體式結(jié)構(gòu)從未經(jīng)歷過(guò)的弱點(diǎn)。

PowerCap模塊執(zhí)行與磚相同的功能，并具有維持對(duì)流回流焊裝配過(guò)程的附加功能。基于LPM的定制尺寸，缺乏用于密度擴(kuò)展的可用引腳限制了該封裝的任何進(jìn)一步產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

鋰紐扣電池問(wèn)題

任何曾經(jīng)嘗試過(guò)處理電池的合同匯編商都很快意識(shí)到，他們不能像處理IC那樣處理電池。每個(gè)金屬工作表面和接地的操作員都成為釋放生產(chǎn)電池的潛在管道。簡(jiǎn)單地使用金屬鑷子或托盤(pán)可能會(huì)對(duì)生產(chǎn)線產(chǎn)量產(chǎn)生災(zāi)難性的結(jié)果，而不會(huì)成為明顯的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

鋰電池外露的產(chǎn)品不能承受水清洗操作。水與偏置相結(jié)合，可導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)（金屬遷移）和過(guò)早排出的細(xì)胞。

現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)存在的一個(gè)問(wèn)題是如何估算模塊中的剩余電池容量，這是應(yīng)用筆記505的主要關(guān)注點(diǎn)。由于一次鋰紐扣電池是一次性能源，因此估計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝中模塊的累積備份時(shí)間充其量是困難的。

除了前面提到的焊接溫度暴露限制外，鋰紐扣電池還具有一些逐漸的電荷損失或自放電，并指定為每年損失的電荷百分比。不適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)條件會(huì)顯著降低紐扣電池的性能（參見(jiàn)應(yīng)用筆記505）。

單件式模塊

單件模塊（SPM）封裝專(zhuān)門(mén)針對(duì)解決前幾代NV SRAM產(chǎn)品中觀察到的批評(píng)和弱點(diǎn)。在工程控制下設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，以下任何項(xiàng)目都不被認(rèn)為是滿足用戶愿望的任何其他項(xiàng)目更重要或更不重要：

SPM 與磚一樣，是一個(gè)完全焊接的一體式混合模塊。在許多方面，包裝的主要功能沒(méi)有改變——保護(hù)電池免受用戶和外部環(huán)境的影響。消除連接器，特別是在電池路徑中，是這項(xiàng)設(shè)計(jì)工作的主要設(shè)計(jì)要求。作為額外的好處，用戶可以再次采購(gòu)和庫(kù)存一件物品。

所有 SPM 產(chǎn)品均采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 27mm x 27mm、256 引腳 PBGA 封裝。CAD設(shè)計(jì)人員希望能夠欣賞自定義足跡的偏離。

SPM 產(chǎn)品需要最小的電路板面積（約 1 英寸）2），與PowerCap相比。用于電池蓋訪問(wèn)的相鄰“禁止”區(qū)域不適用于此表面貼裝封裝。

所有SPM產(chǎn)品均基于標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)布局。每個(gè)信號(hào)都通過(guò)冗余的球連接進(jìn)行路由，從而最大限度地提高裝配線產(chǎn)量。包含高達(dá) 4Mb 內(nèi)存密度的現(xiàn)有 LPM 或 PowerCap 板布局可以執(zhí)行簡(jiǎn)單的焊盤(pán)更改，以轉(zhuǎn)換為等效密度的 SPM。

SPM產(chǎn)品可以使用自動(dòng)化元件貼裝設(shè)備進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的電路板組裝操作。

所有SPM產(chǎn)品均兼容對(duì)流回流回流焊，基于JEDEC J-STD-020規(guī)范中的焊接建議。所有SPM可靠性研究都是通過(guò)兩程對(duì)流回流焊預(yù)處理階段啟動(dòng)的，以模擬客戶的處理過(guò)程。

SPM 產(chǎn)品可以耐受水性清潔溶液，并且完全符合 MSL 3 的濕敏性要求。SPM 產(chǎn)品采用干包裝并裝在托盤(pán)中運(yùn)輸，準(zhǔn)備進(jìn)行電路板組裝。

SPM腔體封裝消除了灌封的需要，從而減少了組件的質(zhì)量。這反過(guò)來(lái)又減少了產(chǎn)品對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響。DS2065W （8Mb SPM）元件的典型重量為7.5g，而DS1265W （8Mb磚）的重量為13.3g（減少約45%）。

SPM 封裝允許將來(lái)的產(chǎn)品擴(kuò)展。已經(jīng)存在用于密度擴(kuò)展或定制產(chǎn)品定義的附加滾珠連接。

SPM的核心是ML化學(xué)二次電池。對(duì)于任何以前的NV SRAM模塊，主鋰電池具有固定的充電容量，一旦電量耗盡，就必須更換電池。如應(yīng)用筆記505所述，有效使用壽命取決于許多因素，在現(xiàn)場(chǎng)安裝中估計(jì)模塊的剩余電池壽命充其量可能很困難。使用 ML 電池，偶爾補(bǔ)充電池電量的能力可以將系統(tǒng)使用壽命延長(zhǎng)至數(shù)十年。

電池備份內(nèi)存產(chǎn)品的傳統(tǒng)壽命預(yù)期基于多年的累積電池備份。實(shí)際上，假設(shè)產(chǎn)品安裝在現(xiàn)場(chǎng)并首先服務(wù)于某些有用的目的，大多數(shù)系統(tǒng)不會(huì)連續(xù)幾年斷電。每當(dāng)外部 Vcc電源施加到 SPM 產(chǎn)品，非易失性控制器/充電器設(shè)備將補(bǔ)充 ML 電池。每個(gè)充電周期可提供長(zhǎng)達(dá)三年的連續(xù)電池備份。控制器提供的高度調(diào)節(jié)的浮充功能幾乎消除了自放電現(xiàn)象，這是電池放電計(jì)算中的一個(gè)重要因素。

結(jié)論

SPM產(chǎn)品旨在解決與客戶群所表達(dá)的非易失性SRAM的制造和使用相關(guān)的各種問(wèn)題。在各個(gè)方面，SPM都比之前介紹的封裝概念以及可充電鋰紐扣電池現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用帶來(lái)的技術(shù)飛躍具有顯著優(yōu)勢(shì)。ML紐扣電池能夠承受焊接溫度，并接受多次充電循環(huán)，這使得ML紐扣電池在大多數(shù)存儲(chǔ)器應(yīng)用中比初級(jí)紐扣電池有了顯著改進(jìn)。

審核編輯：郭婷