摘要：為了理解Maxim的單芯片模塊設(shè)計(jì)原則，首先需要知道電池備份存儲(chǔ)器的開發(fā)歷史。

開發(fā)NV SRAM的目的是生產(chǎn)一種類似于IC的混合存儲(chǔ)器產(chǎn)品，利用低功耗SRAM配合鋰紐扣電池工作，等同于帶有長(zhǎng)期備用穩(wěn)壓電源的CMOS技術(shù)。

為了理解Maxim的單芯片模塊(SPM)封裝設(shè)計(jì)以及對(duì)鋰錳(ML)二次(可充電)電池的選擇，首先需要知道電池備份存儲(chǔ)器的開發(fā)過程。如果了解選擇電池化學(xué)材料的相關(guān)問題，就很容易找到這一問題的答案。

建議讀者首先熟悉非易失應(yīng)用中所使用的原(不可充電)鋰鈕扣電池，在應(yīng)用筆記505："Lithium Coin-Cell Batteries: Predicting an Application Lifetime"中進(jìn)行了說明。

“磚模塊”—過孔元件

早期的混合模塊封裝延用了傳統(tǒng)的雙列直插(DIP)封裝，這主要是受市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的結(jié)果，因?yàn)镋PROM插座為產(chǎn)品提供了更大的靈活性。模塊在制造過程中經(jīng)過適當(dāng)處理，具有連接方便、簡(jiǎn)單易用并且可靠性高等優(yōu)勢(shì)。

將原鋰鈕扣電池集成到產(chǎn)品中的主要限制是鈕扣電池不能暴露在+85°C (+185°F)以上的溫度環(huán)境中。大批量電路板組裝過程中遇到的這一工藝限制迫使生產(chǎn)商在處理備份電池模塊時(shí)使用特殊的方法。而電池廠商對(duì)集成電路應(yīng)用或印刷電路板組裝的要求并不熟悉，因此，電子制造涉及到的環(huán)境問題對(duì)他們而言是一個(gè)全新領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)，設(shè)計(jì)更耐熱的鈕扣電池也不是他們開發(fā)計(jì)劃所關(guān)心的主要問題。

對(duì)于很多用戶而言，習(xí)慣于將DIP模塊封裝稱為“磚模塊”，受模塊物力尺寸的限制，許多用戶很難為這種封裝找到合適的空間。

DIP模塊采用傳統(tǒng)的600mil寬的排列，占用較大的電路板面積，而且封裝的高度也較高。存儲(chǔ)器的每一次容量擴(kuò)充都必須改動(dòng)電路板布局，增加引腳數(shù)，并進(jìn)一步增加電路板面積。模塊采用全密封結(jié)構(gòu)，增加的材料也會(huì)影響最終電路板的抗振動(dòng)特性。

解決溫度限制問題的常用方法是采用插座或手工焊接模塊。但這兩種方法會(huì)提高成本，而且安裝很不方便。另外，插座連接還會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)可靠性問題。

結(jié)果，能夠滿足實(shí)際要求的方案可能是一個(gè)大尺寸但高度可靠、自帶存儲(chǔ)器的子系統(tǒng)，能夠提供高溫環(huán)境下的相關(guān)保護(hù)。

小外形模塊需要定制插座

為了解決DIP模塊電路板面積和高度的缺點(diǎn)，某些封裝采用了小外形混合結(jié)構(gòu)，但還是不能直接焊接。雖然高度減半，并且縮小了電路板面積，但是對(duì)定制插座的需求卻增加了系統(tǒng)零件的成本，并且在組裝線的最后，焊接好插座后還需要人工安裝模塊。

小外形模塊(LPM)具有相同的的基本單元，可以避免磚模塊的可靠性問題。但是，它不能直接焊接在用戶的電路板上，連接器的完整性成為實(shí)際應(yīng)用可靠性的主要問題。

PowerCap—近似于SMT

考慮到插座的可靠性問題，進(jìn)一步的封裝設(shè)計(jì)集中在以近似于SMT的封裝替代LPM。為了保護(hù)電池不受溫度影響，“產(chǎn)品”實(shí)際采用兩片方案，鋰電池作為一個(gè)獨(dú)立元件進(jìn)行焊接、插接安裝。盡管兩片產(chǎn)品能夠達(dá)到批量生產(chǎn)的目標(biāo)，符合SMT兼容產(chǎn)品的要求，但仍需要大量的后前工作和人工操作，從這一點(diǎn)來看，兩芯片方案與LPM方案并沒有太大區(qū)別。

而且，在電池電路引入連接器給產(chǎn)品本身也帶來了類似于外部插座的可靠性問題。不合理的電池帽安裝或應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的振動(dòng)等因素都會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)的可靠性問題，這在完全焊接的單芯片結(jié)構(gòu)中是不會(huì)出現(xiàn)的。

PowerCap模塊與磚模塊功能一樣，但可以進(jìn)行回流焊組裝工藝。考慮到LPM的定制引腳，密度擴(kuò)容時(shí)缺乏足夠的引腳也限制了這種封裝產(chǎn)品的進(jìn)一步發(fā)展。

鋰鈕扣電池的問題

有些裝配工人試圖迅速完成電池安裝，但他們很快就會(huì)認(rèn)識(shí)到不可能象處理IC那樣來處理電池。每一個(gè)金屬工作臺(tái)面或觸地操作都有可能導(dǎo)致電池放電。直接使用金屬鑷子或托盤會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線的嚴(yán)重事故，但卻找不到明顯的操作失誤。

帶裸電池的產(chǎn)品不能用水進(jìn)行清洗。水和電荷一起會(huì)導(dǎo)致枝晶生長(zhǎng)(金屬遷移)，使電池過早放電。

實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)常見問題是怎樣估計(jì)模塊中剩余的電池容量，這是應(yīng)用筆記505討論的主要問題。由于原鋰鈕扣電池是一種一次性能源，很難精確估算出安裝在現(xiàn)場(chǎng)的模塊電池備份時(shí)間。

除了前面提到的焊接溫度限制以外，鋰鈕扣電池會(huì)慢慢損失電荷，即自放電，參數(shù)定義為每年電荷損失的百分比。不合理的儲(chǔ)存條件會(huì)顯著降低鈕扣電池的容量(請(qǐng)參考應(yīng)用筆記505)。

單芯片模塊

專門為了解決前一代NV SRAM產(chǎn)品遇到的問題和缺點(diǎn)，我們推出了單芯片模塊(SPM)封裝。在工程控制下進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，用戶不需要考慮以下任何問題，與其它封裝相比具有更少的限制：

SPM與“磚模塊”一樣，是可以完全焊接的單芯片混合模塊。在很多應(yīng)用中，封裝內(nèi)部的主要功能沒有改變—保護(hù)電池不受用戶和環(huán)境的影響。該設(shè)計(jì)的主要思路是不需要連接器，特別是在電池通路。另一個(gè)好處是用戶只需要購(gòu)買或存放一個(gè)單一零件。

所有SPM產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)的27mm x 27mm、256球腳PBGA封裝。CAD設(shè)計(jì)人員會(huì)非常贊同這種非定制封裝。

與PowerCap相比，SPM產(chǎn)品需要最小的電路板面積(大約1平方英寸)。這種表面貼封裝不再需要電池附近的“隔離區(qū)域”。

所有的SPM產(chǎn)品都基于標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)布線。每一信號(hào)都通過冗余焊球連接。現(xiàn)有的LPM或PowerCap結(jié)構(gòu)的4Mb存儲(chǔ)器電路板經(jīng)過少量改動(dòng)后，可以轉(zhuǎn)換成存儲(chǔ)容量等價(jià)的SPM。

SPM產(chǎn)品可以采用自動(dòng)放置元件設(shè)備進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的電路板安裝流程。

所有SPM產(chǎn)品支持JEDEC J-STD-020規(guī)范推薦的回流焊標(biāo)準(zhǔn)。所有SPM的可靠性研究都采用了二次回流焊預(yù)處理階段，以模擬客戶的實(shí)際處理過程。

SPM產(chǎn)品可以承受水清洗流程，完全符合MSL 3的潮濕敏感度指標(biāo)。SPM產(chǎn)品經(jīng)過干燥包裝，盤裝包裝，可直接進(jìn)行電路板裝配。

SPM腔體封裝不需要進(jìn)行封裝密封，減少了組成成分。也不宜受系統(tǒng)振動(dòng)的影響。一個(gè)DS2065W (8Mb SPM)元件的典型重量是7.5g，而DS1265W (8Mb磚模塊)的重量是13.3g (減少了大約45%)。

SPM封裝支持產(chǎn)品擴(kuò)容。已經(jīng)設(shè)置了額外的焊球，用于容量擴(kuò)充或產(chǎn)品定制。

SPM核是ML可充電電池。前期的NV SRAM模塊使用原鋰電池，電荷容量固定，電荷放電完畢后必須換新電池。如應(yīng)用筆記505所指出的，實(shí)際使用時(shí)間取決于多種因素，很難對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用模塊的剩余電池使用時(shí)間進(jìn)行精確估計(jì)。采用ML電池，不斷對(duì)電池充電能夠?qū)⑾到y(tǒng)使用時(shí)間延長(zhǎng)到數(shù)十年。

電池備份存儲(chǔ)器產(chǎn)品的使用時(shí)間基于備份電池的使用年限。實(shí)際應(yīng)用中，產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝后，大部分系統(tǒng)必須保持多年連續(xù)供電。當(dāng)SPM產(chǎn)品使用外部VCC電源時(shí)，非易失控制器/充電器會(huì)對(duì)ML電池充電。每一次充電可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)三年的備用電池連續(xù)供電工作。控制器提供的高度穩(wěn)定的浮充功能消除了自放電的影響，這是電池放電的一個(gè)主要考慮因素。

結(jié)論

SPM產(chǎn)品經(jīng)過設(shè)計(jì)，能夠解決非易失SRAM生產(chǎn)和使用中的許多問題。從各方面考慮，SPM與以前的封裝相比都有明顯優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中的可充電鋰鈕扣電池實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的跨越。ML鈕扣電池能夠承受焊接溫度，可以進(jìn)行多次充電，在大部分存儲(chǔ)器應(yīng)用中都優(yōu)于原鈕扣電池。