为什么Maxim选择设计单件NV SRAM模块

为了理解定义Maxim新型单片模块封装的设计标准，首先需要了解一些电池备份存储器产品的历史。

自NV SRAM开发开始以来，其目的一直是生产一种可以像IC一样处理的混合存储器产品。使用商用低功耗SRAM和锂纽扣电池配接CMOS晶圆技术，以及用于长期存储器备用电源的通用电压稳定源。

为了理解定义Maxim新型单件模块（SPM）封装的设计标准，以及选择锰锂（ML）二次（可充电）电池化学成分作为能源，首先需要了解一些电池备份存储器产品的历史。随着对导致这种电池化学选择的许多问题的了解，答案变得更加明显，并且在技术上也更加合理。

“砖”——通孔组件

早期的混合模块封装概念遵循传统的双列直插式 （DIP） 封装，因为营销任务是通过应用更灵活的产品解决方案来捕获 EPROM 插座。这些模块易于连接，易于使用，如果在制造过程中处理得当，则非常可靠。

含有一次锂纽扣电池的产品的一个基本限制是，这些纽扣电池不能暴露在+85°C（+185°F）以上的温度下。这种对大批量电路板组装操作的处理限制迫使制造商在处理电池备份模块时使用特殊的处理程序.电池制造商对集成电路应用或印刷电路板组装要求的熟悉程度有限，因此与电子制造相关的环境问题本质上是新的，对他们来说是未知的。设计更耐热的纽扣电池并不是当时他们发展路线图上的首要任务。

对于许多用户来说，DIP模块封装被亲切地称为“砖”，但由于模块的物理尺寸，许多潜在用户很难找到它的空间。

DIP模块产品在传统的600mil宽引脚排列的基础上占用相当大的电路板面积，并且具有异常高的封装轮廓。每次存储器密度升级时，都必须修改电路布局，增加引脚并进一步增加所需的电路板面积。对于全灌封结构，这种额外的质量也会影响最终的电路板振动特性。

温度暴露限制的常见解决方案是使用插座或手工焊接模块。但是，使用这两种解决方案中的任何一种，都会增加成本和/或不便。套接字连接问题的引入也作为系统可靠性问题浮出水面。

结果是一个大型但高度可靠的独立内存子系统，前提是它可以免受任何重大的热暴露。

薄型模块需要定制插座

为了解决DIP模块的电路板面积和高度缺点，一些封装创意导致了一种更薄的混合结构，仍然无法承受直接焊接操作。高度减少了一半，电路板面积也减少了，但需要使用定制插座增加了系统的部件成本，并且还需要额外的下线组装劳动力来安装模块。

薄型模块（LPM）在基本组件中具有与砖块相同的现场验证可靠性，但不能直接焊接在客户的应用中。连接器完整性成为主要的现场可靠性问题。

功率电容 — 几乎与 SMT 兼容

基于插座的可靠性问题，进一步的封装开发工作侧重于实现LPM的SMT兼容替代品。为了保护电池免受任何热暴露，“产品”实际上是一个两件式解决方案，其中锂电池作为与组件底座分开的物品进行销售、储存和组装。虽然两件式产品实现了提供大批量、SMT 兼容产品的目标，但采购和组装这两件产品所增加的物流和劳动力与 LPM 产品没有太大区别。

此外，在电池电路中引入连接器将现场可靠性问题从外部插座转移到产品本身。接触完整性问题，无论是由于电池盖安装不当还是现场振动暴露，都显示出全焊接一体式结构从未经历过的弱点。

PowerCap模块执行与砖相同的功能，并具有维持对流回流焊装配过程的附加功能。基于LPM的定制尺寸，缺乏用于密度扩展的可用引脚限制了该封装的任何进一步产品开发。

锂纽扣电池问题

任何曾经尝试过处理电池的合同汇编商都很快意识到，他们不能像处理IC那样处理电池。每个金属工作表面和接地的操作员都成为释放生产电池的潜在管道。简单地使用金属镊子或托盘可能会对生产线产量产生灾难性的结果，而不会成为明显的罪魁祸首。

锂电池外露的产品不能承受水清洗操作。水与偏置相结合，可导致枝晶生长（金属迁移）和过早排出的细胞。

现场持续存在的一个问题是如何估算模块中的剩余电池容量，这是应用笔记505的主要关注点。由于一次锂纽扣电池是一次性能源，因此估计现场安装中模块的累积备份时间充其量是困难的。

除了前面提到的焊接温度暴露限制外，锂纽扣电池还具有一些逐渐的电荷损失或自放电，并指定为每年损失的电荷百分比。不适当的存储条件会显著降低纽扣电池的性能（参见应用笔记505）。

单件式模块

单件模块（SPM）封装专门针对解决前几代NV SRAM产品中观察到的批评和弱点。在工程控制下设计和开发，以下任何项目都不被认为是满足用户愿望的任何其他项目更重要或更不重要：

SPM 与砖一样，是一个完全焊接的一体式混合模块。在许多方面，包装的主要功能没有改变——保护电池免受用户和外部环境的影响。消除连接器，特别是在电池路径中，是这项设计工作的主要设计要求。作为额外的好处，用户可以再次采购和库存一件物品。

所有 SPM 产品均采用行业标准的 27mm x 27mm、256 引脚 PBGA 封装。CAD设计人员希望能够欣赏自定义足迹的偏离。

SPM 产品需要最小的电路板面积（约 1 英寸）2），与PowerCap相比。用于电池盖访问的相邻“禁止”区域不适用于此表面贴装封装。

所有SPM产品均基于标准化的信号布局。每个信号都通过冗余的球连接进行路由，从而最大限度地提高装配线产量。包含高达 4Mb 内存密度的现有 LPM 或 PowerCap 板布局可以执行简单的焊盘更改，以转换为等效密度的 SPM。

SPM产品可以使用自动化元件贴装设备进行处理，从而实现全自动的电路板组装操作。

所有SPM产品均兼容对流回流回流焊，基于JEDEC J-STD-020规范中的焊接建议。所有SPM可靠性研究都是通过两程对流回流焊预处理阶段启动的，以模拟客户的处理过程。

SPM 产品可以耐受水性清洁溶液，并且完全符合 MSL 3 的湿敏性要求。SPM 产品采用干包装并装在托盘中运输，准备进行电路板组装。

SPM腔体封装消除了灌封的需要，从而减少了组件的质量。这反过来又减少了产品对系统振动特性的影响。DS2065W （8Mb SPM）元件的典型重量为7.5g，而DS1265W （8Mb砖）的重量为13.3g（减少约45%）。

SPM 封装允许将来的产品扩展。已经存在用于密度扩展或定制产品定义的附加滚珠连接。

SPM的核心是ML化学二次电池。对于任何以前的NV SRAM模块，主锂电池具有固定的充电容量，一旦电量耗尽，就必须更换电池。如应用笔记505所述，有效使用寿命取决于许多因素，在现场安装中估计模块的剩余电池寿命充其量可能很困难。使用 ML 电池，偶尔补充电池电量的能力可以将系统使用寿命延长至数十年。

电池备份内存产品的传统寿命预期基于多年的累积电池备份。实际上，假设产品安装在现场并首先服务于某些有用的目的，大多数系统不会连续几年断电。每当外部 Vcc电源施加到 SPM 产品，非易失性控制器/充电器设备将补充 ML 电池。每个充电周期可提供长达三年的连续电池备份。控制器提供的高度调节的浮充功能几乎消除了自放电现象，这是电池放电计算中的一个重要因素。

结论

SPM产品旨在解决与客户群所表达的非易失性SRAM的制造和使用相关的各种问题。在各个方面，SPM都比之前介绍的封装概念以及可充电锂纽扣电池现场应用带来的技术飞跃具有显着优势。ML纽扣电池能够承受焊接温度，并接受多次充电循环，这使得ML纽扣电池在大多数存储器应用中比初级纽扣电池有了显著改进。

审核编辑：郭婷