為什么Maxim選擇設計單件NV SRAM模塊

為了理解定義Maxim新型單片模塊封裝的設計標準，首先需要了解一些電池備份存儲器產(chǎn)品的歷史。

自NV SRAM開發(fā)開始以來，其目的一直是生產(chǎn)一種可以像IC一樣處理的混合存儲器產(chǎn)品。使用商用低功耗SRAM和鋰紐扣電池配接CMOS晶圓技術，以及用于長期存儲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）封裝的設計標準，以及選擇錳鋰（ML）二次（可充電）電池化學成分作為能源，首先需要了解一些電池備份存儲器產(chǎn)品的歷史。隨著對導致這種電池化學選擇的許多問題的了解，答案變得更加明顯，并且在技術上也更加合理。

“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，因為營銷任務是通過應用更靈活的產(chǎn)品解決方案來捕獲 EPROM 插座。這些模塊易于連接，易于使用，如果在制造過程中處理得當，則非常可靠。

含有一次鋰紐扣電池的產(chǎn)品的一個基本限制是，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使用特殊的處理程序.電池制造商對集成電路應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的環(huán)境問題本質上是新的，對他們來說是未知的。設計更耐熱的紐扣電池并不是當時他們發(fā)展路線圖上的首要任務。

對于許多用戶來說，DIP模塊封裝被親切地稱為“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寬引腳排列的基礎上占用相當大的電路板面積，并且具有異常高的封裝輪廓。每次存儲器密度升級時，都必須修改電路布局，增加引腳并進一步增加所需的電路板面積。對于全灌封結構，這種額外的質量也會影響最終的電路板振動特性。

溫度暴露限制的常見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，都會增加成本和/或不便。套接字連接問題的引入也作為系統(tǒng)可靠性問題浮出水面。

結果是一個大型但高度可靠的獨立內存子系統(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，一些封裝創(chuàng)意導致了一種更薄的混合結構，仍然無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力來安裝模塊。

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

功率電容 — 幾乎與 SMT 兼容

基于插座的可靠性問題，進一步的封裝開發(fā)工作側重于實現(xiàn)LPM的SMT兼容替代品。為了保護電池免受任何熱暴露，“產(chǎn)品”實際上是一個兩件式解決方案，其中鋰電池作為與組件底座分開的物品進行銷售、儲存和組裝。雖然兩件式產(chǎn)品實現(xiàn)了提供大批量、SMT 兼容產(chǎn)品的目標，但采購和組裝這兩件產(chǎn)品所增加的物流和勞動力與 LPM 產(chǎn)品沒有太大區(qū)別。

此外，在電池電路中引入連接器將現(xiàn)場可靠性問題從外部插座轉移到產(chǎn)品本身。接觸完整性問題，無論是由于電池蓋安裝不當還是現(xiàn)場振動暴露，都顯示出全焊接一體式結構從未經(jīng)歷過的弱點。

PowerCap模塊執(zhí)行與磚相同的功能，并具有維持對流回流焊裝配過程的附加功能。基于LPM的定制尺寸，缺乏用于密度擴展的可用引腳限制了該封裝的任何進一步產(chǎn)品開發(fā)。

鋰紐扣電池問題

任何曾經(jīng)嘗試過處理電池的合同匯編商都很快意識到，他們不能像處理IC那樣處理電池。每個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。簡單地使用金屬鑷子或托盤可能會對生產(chǎn)線產(chǎn)量產(chǎn)生災難性的結果，而不會成為明顯的罪魁禍首。

鋰電池外露的產(chǎn)品不能承受水清洗操作。水與偏置相結合，可導致枝晶生長（金屬遷移）和過早排出的細胞。

現(xiàn)場持續(xù)存在的一個問題是如何估算模塊中的剩余電池容量，這是應用筆記505的主要關注點。由于一次鋰紐扣電池是一次性能源，因此估計現(xiàn)場安裝中模塊的累積備份時間充其量是困難的。

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?shù)拇鎯l件會顯著降低紐扣電池的性能（參見應用筆記505）。

單件式模塊

單件模塊（SPM）封裝專門針對解決前幾代NV SRAM產(chǎn)品中觀察到的批評和弱點。在工程控制下設計和開發(fā)，以下任何項目都不被認為是滿足用戶愿望的任何其他項目更重要或更不重要：

SPM 與磚一樣，是一個完全焊接的一體式混合模塊。在許多方面，包裝的主要功能沒有改變——保護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，是這項設計工作的主要設計要求。作為額外的好處，用戶可以再次采購和庫存一件物品。

所有 SPM 產(chǎn)品均采用行業(yè)標準的 27mm x 27mm、256 引腳 PBGA 封裝。CAD設計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)品均基于標準化的信號布局。每個信號都通過冗余的球連接進行路由，從而最大限度地提高裝配線產(chǎn)量。包含高達 4Mb 內存密度的現(xiàn)有 LPM 或 PowerCap 板布局可以執(zhí)行簡單的焊盤更改，以轉換為等效密度的 SPM。

SPM產(chǎn)品可以使用自動化元件貼裝設備進行處理，從而實現(xiàn)全自動的電路板組裝操作。

所有SPM產(chǎn)品均兼容對流回流回流焊，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兩程對流回流焊預處理階段啟動的，以模擬客戶的處理過程。

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中運輸，準備進行電路板組裝。

SPM腔體封裝消除了灌封的需要，從而減少了組件的質量。這反過來又減少了產(chǎn)品對系統(tǒng)振動特性的影響。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 封裝允許將來的產(chǎn)品擴展。已經(jīng)存在用于密度擴展或定制產(chǎn)品定義的附加滾珠連接。

SPM的核心是ML化學二次電池。對于任何以前的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。如應用筆記505所述，有效使用壽命取決于許多因素，在現(xiàn)場安裝中估計模塊的剩余電池壽命充其量可能很困難。使用 ML 電池，偶爾補充電池電量的能力可以將系統(tǒng)使用壽命延長至數(shù)十年。

電池備份內存產(chǎn)品的傳統(tǒng)壽命預期基于多年的累積電池備份。實際上，假設產(chǎn)品安裝在現(xiàn)場并首先服務于某些有用的目的，大多數(shù)系統(tǒng)不會連續(xù)幾年斷電。每當外部 Vcc電源施加到 SPM 產(chǎn)品，非易失性控制器/充電器設備將補充 ML 電池。每個充電周期可提供長達三年的連續(xù)電池備份?？刂破魈峁┑母叨日{節(jié)的浮充功能幾乎消除了自放電現(xiàn)象，這是電池放電計算中的一個重要因素。

結論

SPM產(chǎn)品旨在解決與客戶群所表達的非易失性SRAM的制造和使用相關的各種問題。在各個方面，SPM都比之前介紹的封裝概念以及可充電鋰紐扣電池現(xiàn)場應用帶來的技術飛躍具有顯著優(yōu)勢。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)存儲器應用中比初級紐扣電池有了顯著改進。

審核編輯：郭婷