塑料包装中的SHP如何解决3个关键的空间应用设计挑战

2022年10月17日

后续讨论的其他部分: ADC12QJ1600-SP，ADC12DJ3200QML-SP，ADC12DJ5200-SP

用于太空任务的电子设备面临着独特的条件和挑战——专门的集成电路(IC)封装可以帮助缓解这些挑战。我们在德州仪器公司历史上首先为商业(非太空)用途开发设备;在塑料包装中验证后，工程团队才开始进行陶瓷设计。但是陶瓷封装通常不能直接与塑料封装兼容，这就需要开发新的测试和表征硬件，并将陶瓷封装测试解决方案用于大规模生产。这些努力给空间硬件设计人员带来了一个问题，因为他们要么必须等待陶瓷包装设备的创建开始他们的原型构建，要么为他们的原型开始塑料包装IC，并在陶瓷样品可用时重新设计和重新组装电路板。

什么是SHP?

TI开发了一种新的器件筛选规范，称为空间高等级塑料(SHP)，用于在传统工业应用中使用的塑料包装中构造的空间合格器件。SHP包括塑料衬底球栅阵列(BGA)和塑料封装封装。SHP资格级别生产的设备适用于苛刻的任务配置，通常与陶瓷合格制造商清单(QML) V类设备一起使用。

SHP级别代表的可靠性等级高于TI的空间增强产品在许多参数重要的艰苦的太空任务。如表1所示，最重要的差异是较高的单事件闭锁免疫度、较高的总电离剂量、生产老化和每批晶圆寿命测试。

	Space-enhanced产品	轴马力	QML-P	QML-Y	QML-V
规范的主人	“透明国际”	“透明国际”	国防后勤局(DLA)/联合电子设备工程委员会(JEDEC)	国防后勤局/电平	国防后勤局/电平
包装	塑料衬底或封装	塑料衬底或封装	塑料封装的	陶瓷或塑料衬底	陶瓷
不透气的	没有	没有	没有	没有	是的
单对照基线	是的	是的	是的	是的	是的
债券电线 (使用时)	黄金	黄金	黄金	黄金	铝
有纯锡吗?	没有	没有	没有	没有	没有
生产老化	没有	是的	是的	是的	是的
除气测试符合美国材料测试协会(ASTM) E595标准	是的	是的	是的	是的，当使用塑料衬底时	N/A(无塑料)
批次级温度循环	很多级别	D组	D组	D组	D组
批量级高加速压力测试(HAST)	是的	D组	D组	D组	N/A
每卷可能有多个晶圆批次	没有	没有	没有	没有	没有
每批晶圆的寿命测试	没有	是的	是的	是的	是的
TI规格中要求的项目如下			以下项目在QML规范中不是必需的
TI辐射(TID)批次验收(RLAT / RHA)	所有SEP和SHP都有RLAT		这些类别的TI部件通常通过RLAT进行RHA，但确实因产品而异(未来所有新部件都将具有RLAT)
单事件闭锁(SEL)测试 (级别因产品而异)	TI = 43 MeV	在这些筛选水平下，TI产品通常为60MeV至120mev
辐射，总电离剂量(TID) (级别因产品而异)	TI = 30克拉到50克拉 (RT，耐辐射)	在这些筛选水平上，TI产品通常为50krad至300krad (RHA，辐射硬度保证)

表1:TI的SHP资格类别与其他已知或起草的标准的比较

通过使用空间级和工业级版本中使用的相同引脚和基本包装的塑料包装，可以减轻设计挑战。除了减少开发时间和资源外，空间应用设计师还应考虑塑料包装的热效率、尺寸和带宽效益。

设计挑战1:热效率

传统的密封陶瓷包装设计需要将模具放置在型腔中，并将盖子焊接到型腔顶部，以提供防潮解决方案。这种设计在模具和金属盖之间留下了一个气隙，很难用热环氧树脂桥接。采用倒装BGA SHP封装，金属盖直接与倒装芯片模具的背面用热环氧树脂连接;没有需要填充的气隙。

TI公司发现，从模具到封装的热效率有所提高，热阻从柱栅阵列陶瓷封装的~16 C/W降低到塑料BGA封装的~0.8 C/W。通过允许芯片周围的系统运行热并保持可靠，您可以减少系统的尺寸、重量和成本，通过移除流体泵、额外的散热金属或其他散热系统来散热。

设计挑战2:尺寸限制

航天工业根据尺寸和重量计算发射成本，所以更小、更轻的解决方案更便宜地发射进入轨道。倒装芯片BGA封装的总封装尺寸在所有尺寸上都小于陶瓷等效封装。图1为QML-V ADC12DJ3200QML-SP所用的15mm × 15mm密封陶瓷封装，总高度为> 6mm。右边显示的塑料BGA是新ADC12DJ5200-SP和ADC12QJ1600-SP的封装，它们可以装在一个10mm × 10mm的总高度<2 mm的封装中。这种显著的尺寸减小意味着更小的整体解决方案，降低了整个系统的尺寸和重量，或者能够在同一区域内安装更多的模数转换器(adc)。