Tecnologías

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Miniaturización de la Microelectrónica EW para la Autoprotección de Armas

El desarrollo de las tecnologías de armas guiadas de precisión, ha reducido en gran medida el “coste por baja” de los combatientes, así como los costes logísticos asociados al mantenimiento en inventario de un gran número de municiones convencionales. La clave de este avance es la integración de sistemas avanzados de guiado, navegación y control (GNC), que utilizan señales láser, electro-ópticas, infrarrojas, de radar y/o GPS para dirigir el arma al objetivo designado. Para contrarrestar esta amenaza, se recurre cada vez más a medidas de ataque electrónico, que tienen por objeto interrumpir el funcionamiento de estos sistemas GNC.

La mitigación del ataque adversario se consigue mediante la integración de la capacidad de autoprotección en el arma, a través de la microelectrónica digital de memoria de radiofrecuencia (DRFM). Sin embargo, la microelectrónica DRFM convencional es demasiado grande para adoptarla en las armas inteligentes modernas. Incluso la microelectrónica optimizada para SWaP, diseñada para aplicaciones aéreas típicas, no se integra fácilmente en un arma.

Para fabricar estos nuevos DRFMs, se requiere un nuevo enfoque modular de la microelectrónica, que utilice técnicas de agrupado tridimensional, combinadas con avances en las tecnologías de miniaturización y robustez. La modularidad es crítica por varias razones:

La arquitectura modular permite la incorporación de funcionalidades futuras adicionales y/o capacidades de mayor rendimiento mediante la adición de una nueva placa en el conjunto de placas de circuito impreso. Esta capacidad ágil de actualización y expansión también permite hacer frente rápidamente a las amenazas emergentes a medida que se comercializan nuevos avances en el rendimiento de RF y el procesamiento de señales.

La separación de los componentes RF sensibles al ruido de los componentes digitales que se encuentran en otras partes del módulo, permite que toda la cadena de sensores alcance un nivel de rendimiento significativamente más alto.

La modularidad permite la detección temprana y la resolución de anomalías de fabricación, que de otro modo pasarían desapercibidas hasta que el módulo DRFM completamente ensamblado fuera probado. Esto tiene un claro impacto en la duración del ciclo, la eficiencia de la fabricación y costes

Optimización de circuitos analógicos

Ejemplo de arquitectura modular DRFM 3D en miniatura

La mayor parte del espacio de diseño asignado dentro de un DRFM típico está ocupado por los componentes analógicos y los circuitos correspondientes. El camino más sencillo para comenzar el proceso de miniaturización es simplemente reducir el número de componentes incluidos en la lista de materiales. Aunque se trata de un ejercicio sencillo, las oportunidades disponibles son limitadas; esas pocas oportunidades aparentes conllevan penalizaciones que deben ser aceptadas. Se deben explorar otros enfoques para minimizar la huella de los circuitos analógicos.

Sin embargo, la reducción de la circuitería analógica para una aplicación DRFM no es suficiente. El entorno de aplicación típico para un arma inteligente exige que todos los componentes sean robustos para soportar las condiciones operativas de misión esperadas. El módulo DRFM en miniatura debe resistir cualquier combinación de vibración mecánica de alta frecuencia, aceleración rápida durante el lanzamiento, choque térmico extremo y exposición a la humedad, agua salada o ambientes corrosivos. Simultáneamente, la miniaturización y la robustez requieren que el arquitecto del DRFM reevalúe completamente el enfoque de diseño de circuitos analógicos.

Para atender simultáneamente ambos requerimientos, Mercury Systems ha comercializado un dispositivo miniatura de módulo multichip de RF (MCM, que reduce la huella por un factor de más de tres. En la parte inferior del dispositivo MCM hay una matriz de rejilla de bolas (BGA), en la que las bolas de soldadura transportan la potencia y las señales necesarias a través de la placa de circuito. El material del tablero fue cuidadosamente seleccionado para equilibrar la integridad mecánica y las consideraciones de diseño térmico, dadas las severas limitaciones de espacio de la aplicación.

La adopción de componentes de troquel desnudo, cuando están disponibles, es clave para una miniaturización satisfactoria del dispositivo RF MCM. Sin embargo, no todos los componentes pueden integrarse como troquel desnudo. La construcción de virutas y alambres y la tecnología de montaje en superficie también deben integrarse en el diseño.

Se debe prestar especial atención a la minimización de los materiales consumidos por estos dispositivos sin poner en riesgo su fiabilidad. Pocos fabricantes han establecido tales capacidades de fabricación híbrida en una sola instalación; incluso menos tienen la capacidad de ampliar sus recursos para satisfacer las necesidades de producción de alto volumen.

La densidad de empaque dentro del MCM debe ser cuidadosamente equilibrada con los requisitos de integridad mecánica. El éxito se logra equilibrando cuidadosamente los requisitos de integridad mecánica con la altura para lograr la máxima densidad de empaque. En este escenario de extrema limitación de SWaP, se ha logrado la máxima densidad de empaque al reducir el espesor de la pared de aislamiento.

Optimización de circuitos digitales

Los componentes digitales típicos de un módulo DRFM son la memoria no volátil y un procesador o dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array). Las intensas exigencias de procesamiento que se imponen a una aplicación DRFM suelen requerir varios gigabytes de memoria. Con las limitaciones de espacio y los requisitos de robustez para un DRFM en miniatura descritos anteriormente, un módulo de memoria en línea dual (DIMM) típico no sería práctico.

Los dispositivos de memoria con interfaz mecánica y eléctrica BGA están disponibles en los fabricantes de memorias comerciales. Los dispositivos BGA con soldadura de plomo han demostrado su fiabilidad para aplicaciones militares. Sin embargo, la capacidad de memoria necesaria para esta aplicación probablemente excederá la capacidad de memoria ofrecida en un solo dispositivo por un fabricante de memoria.

Los valiosos materiales del módulo de componentes digitales del DRFM en miniatura se consumirán rápidamente al adoptar múltiples dispositivos de memoria. Una opción potencial es considerar la posibilidad de añadir una placa adicional dedicada a la memoria a la pila DRFM 3D, pero este enfoque aumenta enormemente la complejidad del diseño general, a la vez que consume un escaso espacio tridimensional.

Evolución de las tecnologías de armas

Las tecnologías de montaje tridimensional han avanzado considerablemente en los últimos años. El apilamiento vertical y la interconexión de varios dispositivos de memoria con control de corrección de errores en un solo paquete ahorra hasta un 85% del espacio de la placa de dos dimensiones en relación con una matriz planar de dispositivos discretos. Este ahorro de espacio se logra sin sacrificar las especificaciones técnicas de los dispositivos individuales. Las aplicaciones más intensivas en procesamiento pueden ser soportadas con hasta 18 dispositivos en un solo módulo de alta fiabilidad.

El apilamiento vertical de dispositivos de memoria no requiere un sacrificio de espacio en la tercera dimensión. Los modernos procesos de troquelado producen ahora módulos de memoria integrados con un perfil de altura de menos de 2,5 milímetros. Basándose en el volumen de espacio disponible, puede ser beneficioso colocar el dispositivo de memoria de bajo perfil en la parte posterior de la placa, liberando así espacio en la parte delantera para otros componentes.

La próxima generación de armas inteligentes

El entorno moderno de amenazas sigue evolucionando, más rápido que nunca. El contenido microelectrónico de los sistemas de armas debe seguir aumentando, tanto en el rendimiento de RF como en la complejidad del procesamiento, como respuesta. La miniaturización y la robustez de la microelectrónica ya no son suficientes. La microelectrónica debe estar diseñada especialmente para situaciones reales de uso militar con vistas a la modularidad y a la optimización general del sistema.

La adopción de la tecnología de guiado de precisión fue un hito significativo para la industria de la defensa en el siglo XX. La introducción de la microelectrónica DRFM altamente especializada para la autoprotección contra ataques electrónicos adversarios será un logro similar para el siglo XXI. La comunidad de defensa debe continuar adoptando los avances tecnológicos comerciales mientras despliega plataformas microelectrónicas innovadoras y actualizables.

Fte. www.militaryaerospace.com

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