Тема 1. Комплексная микроминиатюризация и автоматизированные

технологии сборки электронных средств.

Лекция 1. Цели и задачи курса. Комплексная микроминиатюризация электронной аппаратуры. Уровни функционально-конструктивной сложности. Роль компьютерно-интегрированных технологий монтажа и сборки в обеспечении тактико-технических характеристик современной электронной аппаратуры.

Цели и задачи микроэлектронной аппаратуры

Современная электроника остро ставит вопрос о микроминиатюри­зации электронных средств при одновременном улучшении их функ­циональных и эксплуатационных характеристик. Решение этого вопроса возможно за счет повышения степени интеграции элементной базы и разработки технологий компактного монтажа микроэлектронной аппаратуры, которая охватывает все многообразие современных электронных средств различного назначения.

Конечно, в области создания и использования средств электронной техники и радиоэлектроники во всех перечисленных и других сферах человеческой деятельности многое уже сделано, внедрено и проверено практикой. Но многое предстоит сделать. На каждом этапе очень важно подвести итог, оценить достигнутое, определить перспективные пути дальнейшего движения вперед.

Направления развития радиоэлектронных средств определены: комплексная микроминиатюризация, расширение функциональных возможностей, снижение материалоемкости, стоимости, повышение надежности и удобств эксплуатации.

Комплексная микроминиатюризация МЭА идет по двум встречным направлениям: 1) миниатюризация элементной базы, когда в одной интегральной микросхеме удается разместить целые устройства, комплексы и даже системы; 2) миниатюризация ячеек и блоков, когда за счет освоения микроэлектронной тонкопленочной и толстопленочной технологий удается создать ячейки и блоки с высокой плотностью размещения полупроводниковых БИС и СБИС.

Комплексная микроминиатюризация: задачи, содержание, проблемы.

Анализ перспектив развития средств общения людей (видеотелефоны, телевизионные и радиоприемники), бытовой электронной аппаратуры (электропроигрывающие устройства, магнитофоны, видеомагнитофоны) показывает, что основными тенденциями при их создании являются:

- широкое внедрение ИМС, специализированных БИС и микропроцессоров;

- применение новых индикаторных приборов, новых функциональных устройств на основе акустоэлектронных, оптоэлектронных приборов;

- расширение функциональных возможностей за счет применения новых устройств — электронных переводчиков, синтезаторов речи, устройств сбора и отображения на экране телевизоров информации о состоянии внешней среды (температуры и влажности в помещении и на улице, атмосферного давления);

- улучшение комфортных характеристик — введение автопоиска программ, беспроводного дистанционного управления, информации о состоянии и параметрах аппаратуры;

- повышение ремонтопригодности аппаратуры за счет разработки и серийного выпуска унифицированных функциональных модулей с устройствами самоконтроля и отображения данных о наличии отказа.

М

Рис.1.1. Функционально полная схема сложной микроэлектронной аппаратуры

икроэлектронная аппаратура широко используется для приема информации в геофизических и астрофизических исследованиях, особенно в исследованиях планет и Земли с помощью космических аппаратов. К МЭА, установленной на космических объектах (а к ним можно отнести еще спутники связи,

осуществляющие передачу телефонных, телеграфных и телевизионных сигналов), предъявляются жесткие требования по надежности, массогабаритным характеристикам, энергопотреблению. Функционально эта аппаратура исключительно сложна и более чем какая-либо другая требует комплексного подхода к ее проектированию с целью миниатюризации.

Если говорить о сложных радиоэлектронных комплексах и системах, используемых для автоматизации технологических процессов, управления производством, управления и обеспечения функций автономных земных и космических объектов, то в их составе можно выделить: центральное устройство обработки и хранения информации и периферийные подсистемы связи с внешними объектами и внешней средой, подсистему датчиков внешней обстановки и внутреннего состояния и устройств для анализа сигналов этих датчиков, подсистему исполнительных органов, источники энергопитания и технологических материалов (сред).

Обобщенная схема сложной функционально полной МЭА представлена на рис.1.1. В нее входят: центральное устройство обработки, управления и хранения информации, устройства связи, служащие для приема и обработки информации от внешних естественных и искусственных источников (прием и усиление слабых сигналов, преобразование и передача мощных сигналов, прием командной информации), передачи данных о внутреннем состоянии аппаратуры;

- датчики, собирающие информацию от внешних источников (прием изображений, данные о радиационной обстановке, характеристиках электромагнитного поля и др.), и датчики внутреннего состояния комплекса, включая (для пилотируемых комплексов) данные о состоянии экипажа и параметрах технологических установок;

- исполнительные органы, осуществляющие: изменение направления перемещения; механическое, тепловое, световое воздействие на окружающие предметы; переключение режимов работы комплекса, включение систем резервирования и др.;

- источники питания, использующие внешние и внутренние ресурсы (солнечные батареи, аккумуляторы).

Прямые линии между элементами схемы рис.1.1 отображают реальные линии связи между составными частями комплекса, состоящие из устройств согласования по виду и величине сигнала, аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей, детекторов, преобразователей частоты — код и др.

Степень развития той или иной подсистемы комплекса зависит от его назначения, характера и объема перерабатываемой информации. В одних комплексах преобладает центральное устройство обработки и хранения информации, в других — приемопередающее устройство. в третьих — исполнительные органы. Тенденция развития сложных радиоэлектронных систем указывает на то, что в них присутствуют все перечисленные подсистемы и сложность каждой подсистемы увеличивается. Такова тенденция развития и автоматизированных систем управления производственными процессами, и структуры роботов и автомобильных электронных комплексов.

Электронные информационные системы должны обеспечить заданную скорость и максимальную достоверность процессов приема, обработки и передачи информации. Эти функции должны выполняться в течение заданного срока службы в определенных условиях эксплуатации при минимальных затратах энергии, труда и денежных средств.

Эти требования могут быть выполнены только на основе комплексной микроминиатюризации МЭА с использованием всех средств, которые дает в распоряжение разработчиков МЭА на современном этапе микроэлектроника. Что это за средства?

I. Современная элементная база микроэлектроники: большие и сверхбольшие интегральные микросхемы с числом элементов 10⁵ — 10⁶ на кристалл и более, сверхскоростные микросхемы, СВЧ- и оптоэлектронные приборы. Существующие и разрабатываемые устройства функциональной электроники: кварцевые генераторы, генераторы Ганна, приборы с зарядовой связью, акустоэлектронные приборы, электротепловые и оптоэлектронные устройства.

II. Решение схемотехнических задач с помощью микроэлектроники: мультиплексирование, т. е. выполнение нескольких разнородных функций одним и тем же устройством, блоком или комплексом; резервирование важнейших элементов и устройств системы, создание устройств обнаружения неисправностей и устройств подключения резерва; цифровая обработка сигналов и использование принципа мажорирования при обработке информации, использование структурной и функциональной избыточности, распараллеливание каналов обработки информации.

III. Широкое внедрение групповых технологических процессов создания микроэлектронных изделий с высокими технико-экономическими показателями в производство микроэлектронной аппаратуры с малыми коэффициентами дезинтеграции и максимально возможной плотностью упаковки — ИМС и БИС, в том числе многовыводных микропроцессорных БИС.

IV. Широкое внедрение машинных методов конструкторского и технологического проектирования МЭА с использованием методов и достижений машинного конструирования ИМС и БИС.

Более детально принцип комплексной миниатюризации можно сформулировать таким образом:

- комплексный анализ, оптимизация и синтез аппаратуры и систем на базе интегральных микросхем и интегральной технологии;

- выбор перспективной микроэлектронной элементной базы, т. е, такой, электрофизические и технические характеристики которой развиваются в сторону достижения их теоретического предела, а наличие экспериментальных образцов и их свойства уже позволяют применить их в проектируемых устройствах;

- стремление к созданию функционально полной аппаратуры, соединению функций различных микроэлектронных устройств в одном многофункциональном устройстве, например функций приемной и передающей антенн в одной приемопередающей активной фазированной антенной; решетке (АФАР);

- конструирование микроэлектронных ячеек и блоков на основе единого конструктивно-технологического подхода к созданию блоков различного назначения и различных диапазонов частот от низкочастотных до СВЧ;

- объединение и использование с целью решения конкретной задачи всех достижений микросхемотехники, системотехники, интегральной. технологии, конструктивных решений и методов машинного проектирования.

Межячеечный и межблочный жгутовый электромонтаж заменяется электромонтажом, конструктивно и технологически согласующимся с элементной базой. Это гибкие шлейфы, промежуточные многослойные коммутационные платы (ячейки), миниатюрные многоканальные разъемы. Для обеспечения высокой помехозащищенности в электромонтаже применяют формирователи сигналов на входе и выходе линий связи в микроэлектронном исполнении. Особенно перспективно с точки зрения микроминиатюризации применение волоконной оптики.

Комплексная миниатюризация, обеспечивающая высокие плотности упаковки ИМС и микросборок, малые коэффициенты дезинтеграции, порождает ряд проблем, органически присущих устройствам с плотным размещением элементов. К ним относятся проблемы теплоотвода, помехоустойчивости, количества контактов и др.

1. Проблема теплоотвода. Уменьшение объемов МЭА приводит к уменьшению площади поверхности и возрастанию удельных тепловых потоков от микроэлектронных устройств в окружающее пространство. Увеличение числа электрорадиоэлементов в единице объема МЭА приводит к повышению выделяемой удельной мощности. Все это вызывает резкое возрастание тепловых нагрузок, повышение рабочей температуры и увеличение интенсивности отказов элементов МЭА.

Эта проблема может быть решена снижением потребляемой интегральными микросхемами мощности (в первую очередь снижением напряжения питания ИМС), повышением предельной рабочей температуры ИМС. разработкой эффективных устройств теплоотвода, не снижающих показателей микроминиатюризации и т. д.

2. Проблема помехоустойчивости МЭА. Повышение плотности электромонтажа в пределах интегральных полупроводниковых микросхем, микросборок

и функциональных ячеек, применение многоуровневой разводки, снижение напряжения питания обусловливают, наличие паразитных связей, наводок, возникновение внутренних помех при функционировании МЭА. Основными видами паразитных связей в МЭА являются емкостные и индуктивные связи, а также связь через общее активное и индуктивное сопротивления шин питания.

Для МЭА с повышенной плотностью упаковки интегральных микросхем и многоуровневой коммутацией характерно наличие значительных емкостных связей между сигнальными проводниками, расположенными на различных уровнях коммутации. Уровень этих паразитных связей повышается с уменьшением толщины изоляции и увеличением числа пересечений проводников. Он зависит также от физических характеристик конструкционных материалов, в частности от диэлектрической проницаемости изоляционных материалов.

Для снижения уровня помех, обусловленных емкостной и индуктивной связями между коммутационными элементами МЭА, следует располагать проводники в соседних слоях во взаимно перпендикулярных направлениях, обеспечивать минимальную длину проводников. Длина проводников не должна превышать допустимых значений, определяемых из условий помехоустойчивости и заданного быстродействия ИМС. Значение паразитных емкостей уменьшается при использовании проводников малой ширины, однако сужение проводников приводит к заметному увеличению их сопротивлений. Для снижения уровня помех, обусловленных индуктивностями шин питания и заземления, необходимо увеличивать их ширину и располагать шины друг под другом на соседних уровнях коммутации. Существенного снижения паразитных эффектов и повышения помехоустойчивости МЭА можно добиться экранированием связей, конструированием линий электромонтажа с учетом компенсации помех противоположной полярности, использованием развязывающих фильтров и элементов согласования.

3. Проблема количества контактов. Рост функциональной сложности МЭА — объективная закономерность научно-технического прогресса в информационной технике. Одним из ограничивающих факторов, сдерживающих процесс роста функциональной сложности, является увеличение числа соединений между элементами МЭА (ИМС, БИС, МСБ), функциональными ячейками, блоками и т. д. Эти соединения, занимая большие площади и объемы в МЭА, с одной стороны, снижают показатели комплексной миниатюризации МЭА, а с другой, — являясь потенциальными и наиболее вероятными носителями отказов, снижают надежность МЭА.

Решение старой проблемы «тирании количеств» соединений, вновь возникшей в условиях комплексной миниатюризации, основано на том, что при проектировании радиоэлектронных функциональных узлов и устройств стремятся сосредоточить максимально возможное число связей в пределах интегральных микросхем, снижая тем самым число соединений между микросхемами. Наибольший эффект получается от разработок и применения серий БИС и СВИС. Однако БИС И СВИС — узкоспециализированные устройства. Многообразие функций МЭА требует разработки и производства разнообразных БИС, что нерентабельно. Это накладывает ограничения на решение проблемы минимизации числа соединений указанным путем. В этом плане большими возможностями обладают устройства функциональной электроники.

Фактором, ограничивающим быстродействие современной ЭВМ с применением СБИС, стала длина проводников, соединяющих СБИС между собой. Поскольку другие резервы повышения производительности ЭВМ практически исчерпаны, обеспечение сверхкомпактного размещения СБИС позволит повысить быстродействие ЭВМ еще на один-два порядка. Предельно плотную упаковку элементов в СБИС и сверхкомпактное размещение самих СБИС в вычислительном устройстве имеют в виду, когда говорят об ЭВМ пятого поколения — сверхминиатюрных по сравнению с предыдущими поколениями интеллектуальных суперкомпьютеров.

Бытовые радиоэлектронные средства можно условно разбить на две группы: 1) аппаратура, в производстве которой основная трудоемкость определяется изготовлением изделий электронной техники (электронные часы, микрокалькуляторы, персональные бытовые ЭВМ, однокристальные радиоприемники-сувениры, цифровые микроэлектронные измерительные приборы — мультиметры, цифровые термометры и диагностические приборы и др.); 2) аппаратура, в выпуске которой значительный удельный вес занимают монтажные, сборочные и peгyлировочные работы (телевизоры, стереосистемы, магнитофоны и видеомагнитофоны, музыкальные центры, музыкальные стойки).

Иерархия уровней функционально-конструктивной сложности радиоэлектронных средств

Радиоэлектронное средство (РЭС) — это изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники и электроники (ГОСТ 26632 — 85).

Радиоэлектронный функциональный узел — радиоэлектронное средство, представляющее собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции, реализующую функцию преобразования сигнала и не имеющую самостоятельного эксплуатационного применения.

Радиоэлектронное устройство — радиоэлектронное средство, представляющее собой функционально законченную сборочную единицу, выполненную на несущей конструкции и реализующую функции передачи, приема, хранения или преобразования информации.

Радиоэлектронный комплекс — радиоэлектронное средство, представляющее собой совокупность функционально связанных РЭУ, обладающее свойством перестройки структуры в целях сохранения работоспособности и предназначенное для самостоятельной эксплуатации в соответствии с функциональным назначением.

В состав РЭК и РЭ-системы кроме радиоэлектронных устройств и узлов могут входить механические, электромагнитные и другие средства, без которых невозможна их эксплуатация.

Радиоэлектронная система — радиоэлектронное средство, представляющее собой совокупность функционально взаимодействующих РЭУ и РЭК как единого целого, обладающее свойством перестройки структуры в целях рационального выбора и использования входящих в него средств в процессе эксплуатации.

В конструкциях радиоэлектронных средств различают несколько конструктивно-технологических уровней. Исходные конструктивно неделимые элементы — ИМС, функциональные элементы, активные и пассивные элекрорадиоэлементы — составляют нулевой уровень конструктивной сложности. В процессе создания аппаратуры их объединяют в более сложные конструкции — ячейки. Радиоэлектронные ячейки предназначены для реализации функций передачи, приема, преобразования или хранения информации или для преобразования сигналов. Ячейки выполняются на основе несущей конструкции первого уровня.

Несущей конструкцией (НК) называется элемент (или совокупность элементов конструкции), предназна­ченный для размещения радиоэлектронных средств и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации. Базовая несущая конструкция — это НК, габаритные размеры которой стандартизованы. Несущая конструкция первого уровня предназначена для размещения элементов нулевого уровня и входит в несущие конструкции (базовые несущие конструкции) более высокого уровня.

Радиоэлектронные ячейки могут содержать десятки, а иногда и сотни элементов нулевого уровня, их несущие конструкции (базовые несущие конструкции) могут быть выполнены в виде рамки, кассеты или печатной платы.

Ячейки, выполненные на основе базовой несущей конструкции, представляют собой конструктивно и функ­ционально взаимозаменяемые сборочные единицы. Час­то несущая конструкция ячейки содержит лицевую па­нель, не имеющую самостоятельного применения (рис.1.2).

Второй уровень конструктивной сложности представ­ляют радиоэлектронные блоки, которые также являют­ся конструктивно и функционально законченными сбо­рочными единицами. Блоки объединяют ячейки механи­чески и обеспечивают электрическую связь ячеек между собой. Несущая конструкция второго уровня может быть выполнена в виде панели рамы, корпуса блока и др. Та­ким образом, радиоэлектронным блоком называется РЭС, выполненное на основе несущей или базовой несу­щей конструкции второго уровня. На рис. 1.3 показана конструкция цифроаналогового блока, а на рис. 1.4 — его несущая конструкция.

Третий уровень конструктивной сложности радио­электронных средств представляет собой совокупность радиоэлектронных блоков и ячеек и в отличие от преды­дущих уровней предназначается для самостоятельного применения. Несущая конструкция третьего уровня мо­жет быть изготовлена в виде рамы, каркаса, стеллажа, шкафа, стойки, пульта и т. д. (рис.1.5).

Конструктивно радиоэлектронные комплексы и систе­мы состоят из набора несущих конструкций второго и третьего уровней конструк­тивной сложности и включают в себя механические, транспортные средства и др.

Рис.1.2. Ячейки измерительно-вычислительного комплекса, несущая конструкция которых содержит

лицевую панель

Рис.1.4. Несущая конструкция блока (общий вид)

Рис.1.5. Радиоэлектронные средства третьего уровня конструктивной сложности, несущие конструкции которых выполнены в виде стойки, совмещенной с пультом (а), стойки (б) и шкафа,

передняя дверь которого снята (в)

Рис.1.3. Цифроаналоговый блок: несущая конструкция и входящие в его состав ячейки: 1-ячейка; 2-несущая конструкция

Лекция 2. Выбор конструктивно-компоновочной схемы и методов монтажа электронной аппаратуры. Элементная база и ее влияние на конструкцию МЭА.