Основные пути выбора конструктивно-компоновочной схемы и методов монтажа мэа

Выбор рационального конструктивного исполнения конкрет­ной аппаратуры зависит от решения множества вопросов, свя­занных с поиском оптимального варианта конструктивно-техноло­гического обеспечения комплекса технических, экономических, эксплуатационных, производственных и организационных требо­ваний. Поиск оптимального конкретного конструктивно-техноло­гического варианта должен проводиться за минимальное время при минимальных затратах и с учетом современных тенденций развития МЭА, прежде всего элементной базы и техники монта­жа. В соответствии с техническим заданием на конкретный вид МЭА должны быть последовательно рассмотрены следующие вопросы, связанные с процессами монтажа: общая компоновка; компоновочная совместимость принятой элементной базы и межсоединений; проектирование всех иерархических уровней изделий с учетом полной автоматизации процессов проектирования; обес­печение защиты изделия от дестабилизирующих факторов окру­жающей среды; обеспечение технологичности, удобства эксплуа­тации и ремонта.

Компоновка — сложный и ответственный процесс конструиро­вания, так как размещение всех заданных элементов схемы в за­данном объеме конструкции с установлением основных геометри­ческих форм и размеров между ними, с одновременным обеспече­нием нормальной работы схемы в соответствии с техническим за­данием по существу определяет в дальнейшем все остальные этапы разработки.

К основным этапам разработки компоновочных схем относят­ся: определение особенностей функциональных параметров элект­рической схемы устройства и выбор основной конструктивно-за­конченной единицы; выбор элементной базы и способа монтажа; отработка вопросов межсоединений, теплопередачи, прочности и жесткости конструкции и т. п., разработка общей компоновки блоков и ячеек устройств.

Первые два этапа проводятся на стадии технического предло­жения разработки МЭА и некоторым образом являются исход­ными данными для проведения собственно компоновочных работ на этапах эскизного и технического проекта. Конструктивно-тех­нологическое исполнение межсоединений определяет выбор той или иной компоновочной схемы, устройства, организации функ­ционального узла (ячейки) и коммутации их между собой.

Организация компоновочной схемы ячейки является одним из основных вопросов оптимальной компоновки МЭА. На разных этапах развития МЭА этот вопрос решался по-разному с учетом конструктивно-технологических возможно­стей межсоединений и степени интеграции элементной базы, на которой проектируется аппаратура. Параллельно с повышением степени интеграции элементной базы развивается и техника ее компоновки в функционально законченные узлы. Принятие реше­ния в выборе конструкции и ее элементной базы при создании конкретного устройства или прибора является одним из самых ответственных шагов. В связи с тем, что за время проектирова­ния и изготовления первых образцов изделий существенно изме­няются и методы монтажа, и уровень производства, и элементная база, сложность выбора состоит и в том, что нужно оценить сте­пень важности множества взаимосвязанных факторов: назначе­ние (вычислительная техника, техника связи, космическая элект­роника и т. д.); заданные электрические характеристики (быстро­действие, мощность, информативность); условия эксплуатации (пределы изменения температур, влажности, величины механиче­ских воздействий); требования к конструкции (надежность, мас­ла, габаритные размеры, тепловые режимы, допуски и т. д.); тех­нико-экономические, показатели (стоимость, сроки морального из­носа, степень унификации); организационно-производственные факторы (сроки разработки прибора, размер выпускаемой пар­тии, серийность, оснащенность предприятия-изготовителя прибо­ра и т. д.); уровень развития элементной базы на данный момент (степень отработки, метод поставки и т. д.) и ее перспективы.

Наиболее жесткие требования предъявляются к управляю­щим системам на тех объектах, где управление происходит прак­тически без участия человека, особенно там, где постоянная по­требность в усложнении функций МЭА лимитируется возмож­ностями объектов либо по массогабаритным характеристикам (бортовая аппаратура), либо по потребляемой мощности при обязательном сохранении высоких показателей надежности ап­паратуры. Если при управлении подобными объектами требует­ся еще и очень высокий темп управления в реальном масштабе времени, то становится ясно, что подобные системы управления требуют специальной разработки под каждый такой сложный объект. К этому надо прибавить и то, что часто такие системы требуются в небольшом количестве (малосерийны).

Проблема принятия решения в какой-то степени затруднена значительным разнообразием существующих методов и приемов микромонтажа, включая создание различных коммутационных систем на различных уровнях иерархии далее в рамках одного комплекса процессов (например, тонкопленочной технологии, технологии печатных плат и т. п.), применение широкого спектра сборочных операций и переходов, начиная от установки кристал­лов и кончая компоновкой завершенных устройств. К этому на­до прибавить и два принципиальных подхода к методам монтажа связанных с использованием корпусных или бескорпусных ИМС (БИС и СБИС).

Указанное разнообразие вызвано рядом субъективных и объективных факторов. К первым можно отнести наличие традиционного под­хода к конструированию МЭА, вызванного консерватизмом мыш­ления; к факторам второго вида, очевидно, следует отнести как трудности перестройки сложного производства, так и то, что в силу весьма широких требований к современной МЭА и крайне острой нужды в ее изделиях еще находится определенная об­ласть более или менее оптимального применения для различных, даже устаревших методов монтажа. В этой связи необходимы объективные методы оценки существующих и развиваемых кон­структивно-технологических направлений микроэлектроники, прежде всего по критериям массы, габаритных размеров, стоимо­сти и надежности в зависимости от функциональной сложности устройств.

В качестве одного из возможных методов оценки будем оце­нивать функциональную сложность исходным числом комплекту­ющих элементов (N₀), а также коэффициентом сложности (К_сл), характеризующим насыщенность коммутационных связей в устройствах и эффективность проектирования (К_сл=1 в том случае, когда полностью используются все возможные коммутационные связи, определяемые разрешающей способностью рисунка). Уч­тем также число выводов от комплектующего элемента (т), на­дежность элемента, выраженную интенсивностью отказов ( ), и среднюю мощность, выделяемую на каждом элементе ( ). Под комплектующим элементом для простоты анализа в дальнейшем будем понимать ИМС (БИС или СБИС).

Себестоимость изготовления МЭА может быть выражена сле­дующей формулой:

, (1)

где ; N_peз — число резервных комплектующих эле­ментов, создающих избыточность для обеспечения требуемой на­дежности устройства, выраженной вероятностью безотказной ра­боты изделия (Р) и средним временем наработки на отказ (t); S_k, S_m, S_c6, S_c, S_mc, S_koh — соответственно средние удельные стои­мостные характеристики комплектующих кристаллов, их монта­жа на плату, процессов соединения одного вывода от кристалла на контактную площадку платы, изготовления коммутационных элементов на плате, межъячеечной коммутации и конструктив­ных элементов (корпус, металлические прокладки, рамки жест­кости и т. п.); k — число сварных соединений в изделии МЭА, приходящихся на одну контактную площадку кристалла; N_ab — число комплектующих кристаллов, размещаемых на одной пла­те:

, (2)

a, b —линейные размеры коммутационной платы; n_уд— число контактных площадок кристаллов, размещенных (и разведенных) на единице поверхности платы; N/N_ab—число коммутационных плат в изделии МЭА; h₀ — толщина слоя коммутации вместе с диэлектрической прослойкой; L — средняя длина коммутации на одной плате:

, (3)

x_i, y_i — координаты i-й контактной площадки; — вероятность соединения i-й и j-й контактной площадки (равно 0 или 1). Окончательно из формулы (3)

, (4)

— коэффициент эффективности проектирования; — число слоев коммутации на плате, требующийся для соединения комп­лектующих элементов:

, (5)

l — разрешающая способность коммутации на плате; — коэффициент, учитывающий невозможность полного использования платы для коммутационных элементов, определяемый как = 1,46—0,06 .

Значение Nрез определяем из заданных величин Р и t. В слу­чае поэлементного резервирования вероятность безотказной ра­боты i-то элемента и его резервных элементов

, (6)

P_i(t) —вероятность безотказной работы i-гo элемента.

Вероятность безотказной работы изделия, содержащего N₀ комплектующих, вычисляется с учетом (6):

(7)

В то же время , — интенсивность отказов из­делия в пересчете на один комплектующий элемент:

, (8)

где — средняя интенсивность отказов комплектующих кристаллов; — интенсивность отказов коммутации (послойная); - интенсивность отказов межъячеечной коммутации (на один пере­ход между ячейками); — средняя интенсивность отказов одно­го сварного (или паяного) соединения.

Тогда из (7) с учетом (8)

(9)

Массу изделия МЭА определяем следующим образом:

(10)

где т_к, т_с, т_mc — соответственно удельные характеристики по массе комплектующих кристаллов, коммутации (на единицу объе­ма), межъячеечной коммутации (на единицу длины).