Maxim為什么選擇設計單片NV SRAM模塊

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

開發(fā)NV SRAM的目的是生產一種類似于IC的混合存儲器產品，利用低功耗SRAM配合鋰紐扣電池工作，等同于帶有長期備用穩(wěn)壓電源的CMOS技術。

為了理解Maxim的單芯片模塊(SPM)封裝設計以及對鋰錳(ML)二次(可充電)電池的選擇，首先需要知道電池備份存儲器的開發(fā)過程。如果了解選擇電池化學材料的相關問題，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用中所使用的原(不可充電)鋰鈕扣電池，在應用筆記505："Lithium Coin-Cell Batteries: Predicting an Application Lifetime"中進行了說明。

“磚模塊”—過孔元件

早期的混合模塊封裝延用了傳統的雙列直插(DIP)封裝，這主要是受市場驅動的結果，因為EPROM插座為產品提供了更大的靈活性。模塊在制造過程中經過適當處理，具有連接方便、簡單易用并且可靠性高等優(yōu)勢。

將原鋰鈕扣電池集成到產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商在處理備份電池模塊時使用特殊的方法。而電池廠商對集成電路應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)境問題對他們而言是一個全新領域。當時，設計更耐熱的鈕扣電池也不是他們開發(fā)計劃所關心的主要問題。

對于很多用戶而言，習慣于將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。存儲器的每一次容量擴充都必須改動電路板布局，增加引腳數，并進一步增加電路板面積。模塊采用全密封結構，增加的材料也會影響最終電路板的抗振動特性。

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。但這兩種方法會提高成本，而且安裝很不方便。另外，插座連接還會產生系統可靠性問題。

結果，能夠滿足實際要求的方案可能是一個大尺寸但高度可靠、自帶存儲器的子系統，能夠提供高溫環(huán)境下的相關保護。

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，某些封裝采用了小外形混合結構，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，但是對定制插座的需求卻增加了系統零件的成本，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際應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，進一步的封裝設計集中在以近似于SMT的封裝替代LPM。為了保護電池不受溫度影響，“產品”實際采用兩片方案，鋰電池作為一個獨立元件進行焊接、插接安裝。盡管兩片產品能夠達到批量生產的目標，符合SMT兼容產品的要求，但仍需要大量的后前工作和人工操作，從這一點來看，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用現場的振動等因素都會導致觸點的可靠性問題，這在完全焊接的單芯片結構中是不會出現的。

PowerCap模塊與磚模塊功能一樣，但可以進行回流焊組裝工藝?？紤]到LPM的定制引腳，密度擴容時缺乏足夠的引腳也限制了這種封裝產品的進一步發(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，但他們很快就會認識到不可能象處理IC那樣來處理電池。每一個金屬工作臺面或觸地操作都有可能導致電池放電。直接使用金屬鑷子或托盤會導致生產線的嚴重事故，但卻找不到明顯的操作失誤。

帶裸電池的產品不能用水進行清洗。水和電荷一起會導致枝晶生長(金屬遷移)，使電池過早放電。

實際應用中的一個常見問題是怎樣估計模塊中剩余的電池容量，這是應用筆記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場的模塊電池備份時間。

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

單芯片模塊

專門為了解決前一代NV SRAM產品遇到的問題和缺點，我們推出了單芯片模塊(SPM)封裝。在工程控制下進行設計和開發(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。在很多應用中，封裝內部的主要功能沒有改變—保護電池不受用戶和環(huán)境的影響。該設計的主要思路是不需要連接器，特別是在電池通路。另一個好處是用戶只需要購買或存放一個單一零件。

所有SPM產品采用標準的27mm x 27mm、256球腳PBGA封裝。CAD設計人員會非常贊同這種非定制封裝。

與PowerCap相比，SPM產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產品都基于標準化的信號布線。每一信號都通過冗余焊球連接?，F有的LPM或PowerCap結構的4Mb存儲器電路板經過少量改動后，可以轉換成存儲容量等價的SPM。

SPM產品可以采用自動放置元件設備進行處理，實現了全自動的電路板安裝流程。

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

SPM產品可以承受水清洗流程，完全符合MSL 3的潮濕敏感度指標。SPM產品經過干燥包裝，盤裝包裝，可直接進行電路板裝配。

SPM腔體封裝不需要進行封裝密封，減少了組成成分。也不宜受系統振動的影響。一個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封裝支持產品擴容。已經設置了額外的焊球，用于容量擴充或產品定制。

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。如應用筆記505所指出的，實際使用時間取決于多種因素，很難對現場使用模塊的剩余電池使用時間進行精確估計。采用ML電池，不斷對電池充電能夠將系統使用時間延長到數十年。

電池備份存儲器產品的使用時間基于備份電池的使用年限。實際應用中，產品現場安裝后，大部分系統必須保持多年連續(xù)供電。當SPM產品使用外部VCC電源時，非易失控制器/充電器會對ML電池充電。每一次充電可以實現多達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主要考慮因素。

結論

SPM產品經過設計，能夠解決非易失SRAM生產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，現場應用中的可充電鋰鈕扣電池實現了技術上的跨越。ML鈕扣電池能夠承受焊接溫度，可以進行多次充電，在大部分存儲器應用中都優(yōu)于原鈕扣電池。