ПЛИС от Microchip получают статус QML Class V для космических миссий

Компания Microchip Technology Inc. объявила, что её радиационно-устойчивые (RT) ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы) RTG4 с бессвинцовым «перевёрнутым» креплением чипа достигли наивысшего уровня космической квалификации, статуса QML Class V, присвоенного Агентством оборонной логистики США (DLA). Теперь ПЛИС RTG4 компании Microchip стали ещё важнее для особенно востребованных космических миссий, включая пилотируемые, а также связанные с дальним космосом и национальной безопасностью, где высочайшая надежность является жизненно необходимой.

Сертификация QML Class V для космических компонентов показывает, что продукт был тщательно проверен на предмет соответствия высоким требованиям производительности и качества, установленным DLA. Последовательные измерения производительности при сертификации QML помогают пользователям уверенно использовать эти ПЛИС для важных проектов, упрощая одновременно свои собственные процессы сертификации и проектирования.

Получив сертификацию QML Class V в 2018 году, семейство RTG4 стало первым, включившим в себя более 150 000 логических элементов. Используя бессвинцовое «перевёрнутое» крепление чипа в своих ПЛИС (такой метод гарантирует увеличенный срок службы), Microchip теперь улучшила стандарт. Новое бессвинцовое соединение, используемое в ПЛИС RTG4, соответствует всем требованиям при проверке DLA, включая критерии MIL-PRF-38535 (военная спецификация США для интегральных схем с одним чипом). «Перевёрнутый» метод крепления соединяет кремниевый чип с подложкой корпуса, а у бессвинцовых шариков нет никаких признаков оловянных «усов» — типичной причины выхода компонентов из строя.

Технология монтажа методом «перевёрнутого чипа» без свинца

Минь Нгуен, технический специалист подразделения ПЛИС компании Microchip, особенно отметила разработку метода «перевёрнутого» чипа, которая отличает ПЛИС RTG4 компании Microchip от соперников в космической отрасли.

«Керамический корпус ПЛИС RTG4 имеет уникальную герметичную конструкцию. Уплотнение паяного шва между крышкой корпуса и внутренними стенками предотвращает попадание влаги, мусора и загрязнений», — говорит она.

Подобная конструкция гарантирует долгосрочную надёжность в течение длительных космических миссий, поскольку герметичное уплотнение также служит электрическим «заземлением». По словам Нгуен, это устраняет «плавающие потенциалы», которые могут стать проблемой в суровых космических условиях.

«В ПЛИС от конкурентов также используются керамические корпуса», — говорит она. «Но они негерметичны из-за зазоров между крышкой корпуса и подложкой».

Эти зазоры могут пропускать загрязняющие вещества, а это со временем приводит к коррозии внутренних развязывающих конденсаторов, что снижает надежность. Напротив, архитектура RTG4 позволила ей соответствовать стандартам QML Class V как классификации, зарезервированной для герметичной микроэлектроники.

Нгуен дополнительно подчеркнула значимость сложного бессвинцового метода «перевернутого» чипа, разработанного Microchip.

«При «переворачивании» чипа используются контактные площадки для соединения кремниевого кристалла и подложки корпуса. Что очень важно для длительных космических полетов, выбранный нами для такого соединения материал без содержания свинца поможет продлить срок службы изделия», — сказала она.

Также она подчеркнула, что разработка контактов без свинца позволила RTG4 пройти строгие испытания на надёжность, требуемые стандартом MIL-PRF-38535, выдержав до 2000 циклов нагрева от −65 до 150 градусов по Цельсию. По словам Нгуен, бессвинцовое соединение методом «перевернутого» чипа прошло проверку по критериям MIL-PRF-38535 и не показало никаких признаков оловянных «усов».

Соединение типа "перевёрнутый чип" (Flip-chip) внутри корпуса (Источник: Microchip)

Структурная схема ПЛИС RTG4 компании Microchip (Источник: Microchip)

Технические проблемы ПЛИС RTG4

Нгуен осветила основные проблемы при разработке бессвинцового соединения методом «перевернутого» чипа для ПЛИС RTG4, а также то, как именно компания Microchip преодолевала их, чтобы соответствовать строгим стандартам QML Class V.

«Мы стремились к квалификации QML Class V, высочайшему уровню, разработанному Агентством оборонной логистики, который необходим при обеспечении пилотируемых программ, а также миссий, связанных с дальним космосом и национальной безопасностью», — говорит она. Для достижения этого Microchip было необходимо пройти строгие испытания, включая термоциклирование при экстремальных температурах, термический удар и высокотемпературное хранение (HTS).

Нгуен отметила, что оригинальные ПЛИС RTG4 c соединениями методом «перевернутого» чипа уже получили квалификацию QML Class V и подтвержденный «полётный опыт». «Нам было необходимо обеспечить плавный переход для пользователей, адаптирующихся к версии без свинца», — добавила она.

К счастью, соединения с «перевернутым» чипом находятся в корпусе ПЛИС, что делает замену несложной. «Это никак не влияет на пользовательский дизайн, профиль перекомпоновки или управление температурой при переходе на бессвинцовые соединения в ПЛИС RTG4», — говорит Нгуен.

Далее Нгуен подчеркнула влияние квалификации QML Class V на позиционирование Microchip на рынке космических компонентов. «Этот рубеж дает клиентам дополнительную уверенность в использовании ПЛИС RTG4 в системах космических полетов, предоставляя при этом преимущества высокой надёжности, нетребовательной настройки и низкого энергопотребления», — сказала она.

Обладая более чем 60-летним опытом в обеспечении космических миссий, Microchip остаётся привержена долговечности и качеству продукции. «Поскольку квалификации QML стандартизированы на основе особых требований к производительности и качеству, определяемых DLA, клиенты могут усовершенствовать процессы проектирования и сертификации, используя продукты с квалификацией QML вместо коммерческих альтернатив», — добавила Нгуен. «Мы смогли предложить решение, которое не только повышает надежность, но и гарантирует увеличение срока службы продукта, что особенно важно в космических исследованиях».

Подход Microchip к энергоэффективности, устойчивости к радиации и интеграции на системном уровне давно определяет качество её ПЛИС для космической отрасли. Одним из ключевых отличий является использование компанией технологий программирования, которые обеспечивают устойчивость к сбоям конфигурации, вызванным радиацией. «Наши устойчивые к радиации коммерческие ПЛИС разработаны так, чтобы избежать стирания и перезагрузки конфигурации», — сказала Нгуен. Эта функция не только снижает энергопотребление, но и помогает разработчикам сократить затраты на материалы и сэкономить место на плате, предлагая продвинутое решение в космической электронике.

Управление питанием является ещё одним очень важным фактором в космических системах, так как спутники зависят от ограниченной мощности солнечных панелей, которая со временем падает из-за воздействия радиации. Также большой проблемой являются высокие температуры, поскольку спутники в космосе не могут использовать привычные методы охлаждения, например, вентиляторы.

«Технология программирования по сути обеспечивает нам низкую статическую мощность, что помогает в управлении тепловыми вопросами», — сказала Нгуен. Компоненты, которые генерируют избыточное тепло, могут создавать затратные проблемы управления температурой, и ПЛИС от Microchip специально разработаны для уменьшения их количества путем минимизации тепловыделения.

Глядя вперёд, Microchip продолжит концентрироваться на будущих космических технологиях, нацеливаясь как на важные миссии наподобие программ дальнего космоса и пилотируемых проектов, так и на более затратные задачи, такие как группировки спутников на низкой околоземной орбите (LEO). Нгуен отметила, что Microchip планирует увеличить портфолио своих ПЛИС космического класса в течение следующих десяти лет путём решения текущих проблем энергопотребления, радиации, надёжности и безопасности, одновременно повышая производительность вычислений.

Комплекты для разработчиков, инженерные образцы и «гирляндные цепи», упакованные для проверки и тестирования плат, — всё это призвано поддержать ПЛИС RTG4. САПР Libero SoC Design Suite, включающая большую библиотеку IP, полные референсные проекты и комплекты разработки, обеспечивает доступ к RTL посредством программирования.