10

Лекция 1

Тема. Цели и задачи курса. Основные термины и определения. Конструкторско-технологические особенности современных ЭВС и технологические задачи, решаемые при их производстве.

Цели и задачи курса

Электронные вычислительные средства (ЭВС) применяются практически во всех областях народного хозяйства и научной деятельности человечества. Чрезвычайно быстрое совершенствование ЭВС и рост их производства объясняется несколькими причинами:

• интенсивным развитием микроэлектроники (появление микропроцессорных и других больших, сверхбольших и ультрабольших интегральных схем (соответственно БИС, СБИС и УБИС)), что позволило решить компромиссные задачи, например, с одной стороны – резко увеличить скорость обработки информации и объем памяти, с другой – столь же резко уменьшить размеры ЭВС, их стоимость и энергопотребление;

• возрастанием функциональных возможностей ЭВС (например, возможность автоматизации проектирования и моделирования сложных объектов и систем; управления космическими объектами; обработки больших объемов информации, получаемых со спутников и при аэрофотосъемках; решения задач физики элементарных частиц; контроля и управления производственными системами; и др.), что существенно расширило количество пользователей ЭВС;

• возрастанием и развитием коммуникационных компьютерных сетей, что постоянно увеличивает число поставщиков и потребителей информации, предоставляя им самые разнообразные услуги;

• широким использованием ЭВС для автоматизации бытовой техники и приборов, игровых автоматов, роботов, автомобилей и т.д.;

• многочисленными исследованиями по разработке теоретических основ построения ЭВС с искусственным интеллектом;

• успешными научными исследованиями и разработками новых технологий для создания ЭВС пятого поколения (например, биотехнологий, технологий создания микросистем и др., включая новые технологии программного обеспечения).

В этой связи совершенствование технологии производства ЭВС требует притока новых кадров и соответствующей их подгонки. Поэтому целью данной дисциплины является изучение типовых и специальных технологических процессов (ТП) производства ЭВС, обеспечивающих их качество и надежность; изучение физико-химических основ ТП, технологического обеспечения производства современных ЭВС, а также приобретение студентами навыков организации производственных участков.

Основными задачами изучения дисциплины являются:

• углубление имеющихся знаний студентов в области технологической подготовки;

• освоение физико-химических основ типовых и специальных ТП и их творческое использование в разработках современных ЭВС;

• формирование у студентов системного подхода к разработке и производству ЭВС;

• приобретение студентами навыков использования средств вычислительной техники при разработке и проектировании ТП и их организации в производственных условиях;

• рассмотрение перспектив развития технологии производства ЭВС.

Специальные термины, понятия и определения, используемые в технике производства эвс

Совершенствование технологии производства ЭВС приводит к положению, когда смысловое содержание ряда терминов и понятий становится не всегда однозначным, что существенно затрудняет не только понимание данной дисциплины, но и осмысленное применение ее материала при решении студентами технологических задач, в том числе и при дипломном проектировании. Поэтому весьма важно привести ясные определения используемых терминов.

Электронное вычислительное средство – это комплекс технических (аппаратных) и программных средств, являющийся универсальным инструментом для восприятия, сбора (или создания), обработки, хранения, отображения, и передачи информации, представленной в дискретной форме, либо в виде непрерывно изменяющихся физических величин. К ЭВС, прежде всего, относятся электронные вычислительные машины (ЭВМ), отличающиесяспособом обработкипредставляемой информации(аналоговые, цифровые, комбинированные);характеромвыполняемых операций(универсальные, специализированные);конструктивным исполнением(простейшие модульные, моноблочные, полиблочные, комплексы и др.);условиями эксплуатациии объектами размещения(например, стационарные (настольные, напольные и др.), транспортируемые (бортовые, судовые, автомобильные и др.), а также их сочетания (например, портативные));сферой применения (бытовые, учебные, профессиональные и др.);совокупностью основных параметров, определяющих функциональные возможности с учетом областей применения (например, разрядностью основного микропроцессора, быстродействием, емкостью ОЗУ, потребляемой мощностью и др.) и т.д. Основные сведения об ЭВМ в хронологической последовательности их появления представлены в табл.1.1. По своей сути современные ЭВС являются результатом синтеза радиотехники, электроники и микроэлектроники.

Радиотехника– наука об электромагнитных колебаниях и волнах радиодиапазона (с длиной волны от десятых долей мм до нескольких десятков км), о методах их генерации, усиления, излучения, приема и об использовании; кроме того – это отрасль техники, осуществляющая применение электромагнитных колебаний и волн радиодиапазона (с частотой менееГц) для приема и передачи информации на расстояния.

Электроника– наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями (макро- и микрополями) в разных средах (в твердых телах, вакууме, жидкостях, газах и др.) и о методах создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется для преобразования электромагнитной энергии в основном с целью приема (электромагнитных колебаний с частотой доГц), обработки, хранения и передачи информации. Слияние электроники и радиотехники расширило возможности последней и способствовало появлению большого разнообразиярадиоэлектронных средств (РЭС)(на базе изделий электронной технике), в том числе и первых ЭВМ. Фундаментальные исследования в области физики, квантовой механики и технологии электронных приборов привели к возникновению новых направлений электроники (опто -, магнито -, акусто -, био-, криоэлектроники, хемотроники, квантовой электроники, микроэлектроники, наноэлектроники и др.), реализующих открытые физические и другие эффекты и явления в новых перспективных приборах и устройствах.

Микроэлектроника (МЭ) – направление электроники, связанное с созданием приборов и устройств в микроминиатюрном исполнении; она с одной стороны базируется на схемотехнической, конструкторской и технологической интеграциях схемных элементов при реализацииизделий МЭ (ИМЭ). В качестве примера самого широко известного ИМЭ следует привести интегральную схему (синоним микросхемы) разного уровня интеграции (ИС, БИС, СБИС, УБИС соответственно малого (среднего), большого, сверхбольшого и ультрабольшого уровней интеграции). В этом случае можно говорить обинтегральной МЭ. С другой стороны – развитие функциональной электроники, охватывающей вопросы использования разнообразных физических явлений, например, в твердых средах, для интеграции различных схемотехнических функций в объеме одного твердого тела (функциональной интеграции) и создание на их основе с применением технологий МЭ изделий, позволяет говорить офункциональной МЭ. Только в этом случае схемотехническую интеграцию называют технологической, а функциональную интеграцию – физической.

Конструкцией ЭВСследует называть совокупность материальных объектов (в том числе с разными формой и физико-химическими свойствами), которые расположены определенным образом в пространстве и находятся в определенной механической, тепловой и электромагнитной взаимосвязи, обеспечивающей требуемую точность и надежность выполнения заданных функций в условиях эксплуатации. Конструкция любого электронного устройства (ЭУ), изготовленная на предприятии и пригодная к эксплуатации являетсяготовым изделием.

Таблица1.1.

Конструкторско-технологические показатели поколений ЭВМ.

Показатель	Поколения Э В М
	I	II	III	IV	V
Тип элементной базы	Электровакуумные лампы, дискретные пассивные компоненты	Дискрет- ные полупроводниковые приборы и пассивные компоне- нты	Интеграль-ные схемы в корпусах и др.	ИС, БИС, СБИС, микросборки (МСБ), в том числе бескорпус- ные	СБИС, УБИС в кристаллодержателях и на лентах-носителях (в том числе 2-х и 3-х мерные вертикально-совмещенные УБИС), изделия функциональной микроэлектроники и др.
Уровень интеграции, полупроводниковой элемент- ной базы, элементов/кристалл	0	10	до103	до107	более 107
Принцип конструирования	Блочный	Функционально-узловой		Функционально-модульный
Особенности монтажа	С использованием проводов; монтажных колонок, вставляемых в ламповые панельки; жгутов; шасси.	С использованием одно- и двухсторонних печатных плат; жгутов; микроплат.	С использованием двухсторонних печатных плат, гибких кабелей и шлейфов; многослойных печатных плат.	С использованием техники поверхностного монтажа, многослой-ных коммутационных плат, гибких кабелей и шлейфов.	С использованием техники поверхностного монтажа, включая полимерную технологию и биотехнологии (систолические контакты), многослойных коммутационных плат, включая рельефные и др.

Продолжение табл.1.1.

Показатель	Поколения Э В М
	I	II	III	IV	V
Особенности конструкций и общая характеристика ЭВМ.	Конструкция характеризуется большими массогабаритными показателями; большим энергопотреблением; неприспособленностью конструкции к механизации и автоматизации сборочно-монтажных работ; малой плотностью компоновки; большой материалоемкостью; низкой надежностью, но высокой ремонтопригодностью; в качестве носителей данных использовались магнитные барабаны; быстродействие - опер./с.	Характерно использование модулей с дискретными компонентами на печатных платах и микромодулей на микроплатах с миниатюрными дискретными компонентами, что позволило увеличить плотность компоновки; массогабаритные показатели и энергопотребление уменьшились более чем в 10 раз, а срок службы увеличился в 7-14 раз по сравнению с поколением I; в качестве носителей данных служили миниатюрные магнитные сердечники (в оперативных ЗУ) и магнитные ленты (во внешних ЗУ); ремонтопригодность	Применение изделий интегральной микроэлектроники позволило создать МЭА (ЭВС) с более сложными узлами и с лучшими показателями, чем у поколения II;в качестве носителей данных стали использовать магнитные ленты и жесткие магнитные диски (во внешних ЗУ); возросли функциональные возможности; появилось семейство универсальных ЭВМ на единой конструктивнотехнологической базе с программной и аппаратной совместимостью.	Характерно появление микропроцессоров (БИС, СБИС), что позволило создать мини - и микро- ЭВМ, а также персональные ЭВМ и различной сложности информационно - и измерительно-вычислите-льные системы с развитой периферией и большим объемом памяти. Конструкция –моно- и полиблочная с сохранением основных структурных решений IIIпоколения. Быстродействие – доопер./с. Технико-экономические показатели лучше, чем уIIIпоколения, что связано с применением компьютерно-интегрирован-ных технологий для разработки и производства таких ЭВС. Исполь-	Использова- ние новейших достижений интегральной (например, 3-х мерных УБИС) и функциональной (например, разного вида микросистем) микроэлектроники, что существенно повысит “интеллектуальный” уровень ЭВМ, резко увеличит плотность компоновки, расширит функциональные возможности и (в потенциале) улучшит технико-экономиче-ские показатели ЭВМ. Однако это требует: разработки теоретических основ построения ЭВМ

Окончание табл.1.1.

Показатель	Поколения Э В М
	I	II	III	IV	V
		ухудшилась при использовании модулей и потребовалось большое число компонентов, однако появилась возможность автоматизации производства ЭВМ. Быстродействие- опер./с.	Характерно также использование автоматизированных средств для разработки и производства ЭВМ. Быстродействие - опер./с.	зование накопителей на гибких и жестких магнитных дисках; устройств, расширяющих функциональные возможности ЭВМ (например, для речевого ввода (или ввода-вывода) информации, расширения памяти и др.) и устройств сопряжения их с локальной и глобальной компьютерными сетями.	с искусственным интеллектом; освоения нанотехнологий; разработки и реализации новых архитектур ЭВМ и их систем, обеспечивающих параллельную и распределенную обработку информации; освоения имеющихся и разработки новых изделий микросистемотехники; разработки эффективного программного обеспечения; разработки новых групповых технологий (включая аппликативные) формообразования в разных технологических средах на базе микроэлектронных и других технологий.

Конструктив – конструктивно законченная часть изделия определенного назначения (например, печатная плата, компонент, корпус блока, лицевая панель, объемный проводник, рама и др.).

Под компоновкойследует понимать взаимную ориентацию конструктивов ЭВС относительно друг друга в ограниченном пространстве.

Объект производства представляет собой материальный предмет или совокупность предметов, на которые направлены действия в сфере производства (например, заготовка, подложка, а также конструктивы различной сложности) для получения готового изделия. В процессе изготовления изделия состояние объекта производства изменяется количественно и (или) качественно преимущественно на каждой стадии этого процесса.

Деталью следует называть конструктив, который невозможно разобрать (разъединить) на части без его повреждения (например, печатная плата, винт, резистор и др.). Деталь может быть комплектующим изделием, но самостоятельно не используется, а только в составе изделия, для которого она предназначена.

Сборочная единица (узел)– конструктив, составные части которого подлежат соединению на предприятии-изготовителе с применением сборочных (или сборочно-монтажных) операций. Сборочный узел может быть комплектующим изделием (если поставляется предприятию-изготовителю), но используется только в составе изделия, для которого он предназначен.

Периферийное оборудование ЭВМ(или внешние устройства) представляет собой совокупность технических средств (не связанных непосредственно с преобразованиями информации, выполняемыми центральным микропроцессором), обеспечивающих подготовку, ввод-вывод, хранение и передачу информации по линиям связи и другие функции. К периферийным устройствам относятся: клавиатура, планшеты, микрофоны, манипуляторы, накопители данных, дисплеи, печатающие устройства, графопостроители, устройства внешней памяти и др., изготавливаемые чаще всего на разных предприятиях, но электрофизически и механически совместимые с системным блоком ЭВМ и между собой, и обеспечивающие выполнение взаимосвязанных функций при эксплуатации. Такая совокупность основного и периферийных устройств ЭВМ называетсякомплексом ЭВС.

Комплект – это несколько изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера как при изготовлении ЭУ, так и при его эксплуатации (например, комплект фотошаблонов, комплект специальных инструментов или оснастки, комплект измерительных средств, комплект запасных частей и др.).

Технология(дословно с греческого языка) – это наука об искусной деятельности, а в общем, представлении – это глобальная сфера научно-прикладной деятельности, направленной на создание эффективной продукции. Применительно к сфере производства ЭУ, технология является объектом научной и видом практической деятельности, направленных на создание и реализацию наиболее эффективных и экономичных методов и средств превращения исходных материальных предметов в готовое изделие. К основным показателям эффективности технологии относятся: удельный расход материалов на единицу изделия, процент выхода годных изделий и их качество, уровень производительности труда, затраты на производство и себестоимость изделия. Задачей технологии как науки является теоретическое и теоретико-экспериментальное выявление сущности и закономерностей электрофизических, физико-химических и других явлений и процессов, на базе которых создаются новые (или совершенствуются имеющиеся) методы и средства воздействия на объект производства для изготовления перспективных изделий. Технология производства, например, ИМЭ, называемаямикроэлектронной технологией,базируется на методах и способах изменения формы, размеров, физико-химических и электрофизических свойств, состава и структуры исходных полупроводниковых и других материалов.Технология производства ЭВС базируется на микроэлектронной технологии, а также методах и способах создания отдельных конструктивов с применением перспективных технологий приборостроения и прочих (например, лазерной, химико-гальванической, компьютерной, сборочной, монтажной и др.).

Технология сборки направлена на получение механических соединений между конструктивами.

Технология монтажанаправлена на получение электрических соединений между конструктивами.

Вещество – простейший вид материи с ненулевой массой покоя.

Материал – вещество или несколько веществ определенного происхождения и назначения.

Конструкционные материалы– это материалы, из которых состоит конструкция изделия, включая все его конструктивы.

Технологические материалыразличают как:

• основные, которые непосредственно участвуют в процессе изготовления изделия, то есть количественно и (или) качественно изменяют состояние объекта производства (например, клеи, припои, флюсы, диффузанты, защитные покрытия и др.). Они могут оставаться в составе конструкции изделия (например, клеи, припои, покрытия и др.), либо частично или полностью удаляться до завершения изготовления изделия (например, очистители, электролиты, фоторезисты, флюсы и др.);

• вспомогательные, которые контактируют с объектом производства и способствуют реализации технологии, но не влияют на состояние объекта, например, материалы оснастки (технологической тары, разных приспособлений, контактирующих устройств и др.), а также материалы рабочих частей технологического оборудования.

Технологическая среда– совокупность технологических материалов и воздействий, направленных на требуемое изменение состояния объекта производства во время изготовления изделия. В сущности, технологическая среда – это условия реализации технологии.

Внешняя среда– среда, в которой осуществляется транспортировка, хранение и эксплуатация изделия после передачи его потребителю.

Окружающая среда – среда, контактирующая с поверхностью герметизирующей конструкции объекта производства (это, по сути, производственная среда, ограниченная производственным помещением и поверхностью герметизирующей конструкции объекта производства либо готового изделия).

Внутрикорпусная среда – среда, ограниченная стенками, основанием и крышкой корпуса (в полых корпусах), то есть отделенная от окружающей и внешней сред.

Элемент конструктива – неразделимая часть конструктива (которую нельзя демонтировать и заменить), например, у печатной платы элементами являются: электропроводящие дорожки, отверстия, тестовые площадки или отверстия, контактные площадки и др.; у корпусированной ИС элементами являются: кристалл, тело корпуса, выводы и др.

Компонент конструктива – часть конструктива, которая до его изготовления была самостоятельным изделием и которую можно демонтировать и заменить при изготовлении конструктива, либо после его изготовления. Например, ИС, дискретныеэлектрорадиокомпоненты (ЭРК): резисторы, конденсаторы, транзисторы и др.; объемные соединители и др.

Микросистема (МС) – объединенная на одной подложке (или в одном объеме) функциональная система (со сложной функциональной структурой) или устройство с минимальными размерами всех компонентов. Термин микросистема применим также по многимсуперкомпонентам, представляющим собой гибридную большую микросборку (БМСБ) с интегральными или функциональными компонентами (либо интегральными элементами и ЭРК, либо с функциональными элементами) многофункционального назначения и многоиерархического применения (например, многокристальные модули, двух-, трехмерные УБИС; биочипы – группа сенсоров (биосенсоров) на секционированной подложке; специализированные БМСБ на базе интегральной МЭ, либо опто -, магнито -, пьезо -, акустоэлектронные и другие устройства на базе функциональной МЭ).

Техника поверхностного монтажа(ТПМ) – совокупность новых высоконадежных, либо адаптированных известных, наиболее эффективных методов и способов проектирования и изготовления высокоплотно-укомпонованных ЭВС (включая технику корпусирования поверхностно-монтируемых навесных компонентов), с использованием компьютерно-интегрированных технологий.

Под технологичностью конструкции следует понимать такое сочетание ее конструкторско-технологических характеристик с характеристиками используемых технологий, которое обеспечивает наиболее простое и экономичное производство изделий при соблюдении всех функциональных и эксплуатационных условий.

Совместимость материалов– способность различных материалов сосуществовать в сопряжении без недопустимого ухудшения своих свойств и параметров в течение требуемого промежутка времени в заданных условиях.