3.5.2. Формальное представление технических объектов и технологии их создания

Пусть имеется некоторый объем физического пространства V, в пределах которого необходимо реализовать техническое изделие с заданным функциональным назначением. Не умаляя общности рассмотрения, указанный объем может быть представлен в виде совокупности упорядоченных N ячеек размещения индивидуальных атомов определенного типа.

Имеется также рабочая среда, содержащая (m + 1) типов атомов, как необходимого для заполнения конкретной индивидуальной ячейки размещения, так и нежелательного (примесного) характера (в количестве m типов). Процесс создания изделия состоит в размещении атомов определенного типа в индивидуальных ячейках объема V. Результат размещения атомов считается удачным, если он обеспечивает появление в изделии необходимого функционального назначения с оговоренным уровнем качества, что возможно при обеспечении определенного порядка в размещении индивидуальных атомов.

В качестве примера подобного упорядоченного размещения атомов можно рассмотреть диодную структуру, реализованную на основе полупроводникового плавного p-n перехода. На рисунку 1 представлены (в одномерном приближении) зависимости концентраций донорной C_д(х) и акцепторной C_а(x) примесей от глубины залегания x слоя легирующей примеси в p-n переходе. Характерная особенность p-n перехода состоит в том, что он с термодинамической точки зрения является неравновесной структурой (как и любое другое изделие), которая во временной эволюции испытывает тенденцию к разрушению начальной упорядоченности, созданной с помощью использования технологии заполнения атомами элементарных ячеек объема.

Темной штриховкой на рисунке обозначена область допустимых (с точки зрения конструктора изделия) вариаций концентрационных зависимостей, обеспечивающих функциональное назначение (качество) диодной структуры. Следует отметить тот факт, что данное изделие являет собой невырожденную конструкцию (ансамбль), поскольку в этом случае необходимое функциональное назначение изделия может быть реализовано чрезвычайно большим количеством частных кривых распределения примесей, находящихся в пределах оговоренной штриховой области (негативным следствием вырожденности конструкции изделия является появление фактора начального разброса функциональных параметров изделия). Последнее обстоятельство облегчает (в ряде случаев существенно) процесс изготовления изделия, ибо допускает определенную нестабильность технологических процессов, а, следовательно, способствует повышению выхода годных изделий. Поэтому, с точки зрения практических интересов технолога, желательно, чтобы эта область была максимально широкой.

Таким образом, видно, что интересы конструктора и технолога изделия диаметрально расходятся в части их отношения к допустимому уровню вырожденности изделия, и их взаимоотношения должны строиться на компромиссных началах. Следует, однако, отметить, что в настоящее время конструктивная основа для принятия подобного рода компромиссов отсутствует, что переводит эту проблематику в плоскость волевых решений, и, как правило, в пользу интересов конструктора изделия, поскольку именно они являются инициаторами изделий новой техники. Это приводит к тому, что технолог постоянно вынужден «догонять» в своей практической деятельности требования конструктора.

В подобной ситуации (с учетом тенденции непрерывного возрастания сложности изделий) отсутствие единой методологической базы на пути установления упомянутого компромисса выступает в качестве сдерживающего фактора, поскольку конструктор не может предъявить технологу объективную количественную меру необходимого уровня технологического обеспечения при создании изделий новой техники. Это вынуждает технолога «вслепую», методом проб и ошибок, разрабатывать необходимое технологическое обеспечение (как правило, на основании имеющейся у него технологической базы), не располагая возможностью точно оценить несоответствие информационных потенциалов (см. ниже) конструкции и технологии.

В рамках рассматриваемого энтропийного подхода, под технологией создания изделия следует понимать комплекс мер, направленных на повышение вероятности размещения атомов необходимого типа в определенных ячейках объема V (такой «нейтральный» подход не противоречит интересам и конструктора и технолога, и в то же время сближает их позиции в методологическом плане).

Очевидно, что факту отсутствия технологии как таковой (назовем условно этот случай - случайной технологией) соответствует множество реализаций размещения атомов мощностью:

		(1)
где N - количество ячеек размещения в объеме V, необходимых для создания изделия.

Наличие в процессе создании изделия такого фактора как технология обеспечивает избирательный характер процесса размещения атомов в пределах элементарной ячейки объема V. Фактор избирательности технологии в производственной деятельности позволяет существенно уменьшить фактическое количество различных реализаций укладки атомов до уровня: N_t << N_c. (Необходимо отметить, что понятие избирательности технологии включает в своем составе не только аспекты химического (элементного) состава, но и - структурного плана. Последнее обстоятельство предполагает включение в указанную совокупность типов атомов и структурных микрообъектов, например, дефектов кристаллической структуры типа: «атомная вакансия»).

Как правило, не все реализации множества N_t обеспечивают необходимое функциональное качество (назначение) изделия. Обозначим посредством N_i совокупности реализаций, обеспечивающих функциональное качество изделия. Тогда, в свете принятого подхода, практическая эффективность технологии создания изделия будет всецело определяться степенью перекрытия множеств реализации N_t и N_i.. В частности, при выполнении условия N_t < N_I , выход годных изделий составит 100% (если только множества N_t и N_i. не смещены относительно друг друга).

На рисунке 2 представлено условное отображение рассмотренных выше множеств атомных реализаций технологий N_c и N_t, и реализаций N_i, обеспечивающих функциональное назначение изделия.

Рис. 2 Условное отображение мощности множеств атомных реализаций N_c, N_t, и N_i.

Согласно представлению рисунка 2, исходя из целевой установки достижения необходимой вероятности выхода годных изделий можно сформулировать ряд рекомендаций общего характера:

• конструктору изделия необходимо закладывать в конструкцию изделия максимально возможное (с учетом ограничений экономического плана) значение реализаций N_i, обеспечивающих функциональное назначение изделия;

• технологу изделия необходимо закладывать в производственно-технологическую практику создания изделия значение избирательности технологии, обеспечивающее выполнение условия: (знак «меньше» свидетельствует о наличии определенного запаса функционального качества изделия, который расходуется в процессе его эксплуатации, ввиду протекания неизбежных процессов деградации в процессе срока службы изделия).

Следует отметить, что в современной производственной практике создания изделий высоких технологий (к ним можно отнести изделия: микроэлектроники, микрооптики, точной механики, приборостроения), в которых усложнение конструкции идет опережающими темпами относительно развития уровня технологии (в последнем случае имеются в виду инерционность и необходимость существенных трудозатрат на развитие технологии), как правило, выполняется условие >, что и обуславливает вероятность выхода годных изделий существенно меньше единицы.

Допуски размерного характера (помимо факторов структурного и элементного плана) могут играть ключевую роль в вопросах выбора оптимальной, с точки зрения экономических показателей, технологии, используемой при изготовлении изделия. К примеру, при изготовлении таких изделий или элементов конструкций, как:

• гвоздей (при допуске на диаметр порядка мм, что составляет 2∙10⁶ атомных монослоев материала), для производства которых можно, в принципе, использовать и токарную обработку материалов (точность обработки материалов: мкм, т.е. - 10⁵ атомных монослоев), что обеспечит уверенное выполнение условия <<(выход годных 100%) за счет увеличения запаса качества до нецелесообразного уровня и в ущерб себестоимости производства изделия.

• «деталей» современных полупроводниковых интегральных схем (при требуемом допуске порядка мкм, что составляет 10² атомных монослоев материала) для производства которых используются технологии, обеспечивающие реализацию допуска порядка мкм, что приводит к выходу годных изделий существенно менее 100 %, а, следовательно, и к потерям экономического характера, обусловленных «запланированным» технологией изготовления изделия появлением бракованной продукции.

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что к вопросам взаимного соответствия уровня сложности изделия (закладывается конструктором на этапе проектирования изделия) и уровня технологии, достаточного для достижения приемлемых экономических показателей, (обеспечивается технологом на этапе производства изделия) необходимо относиться с предельным вниманием.