Развитие микроминиатюризации аппаратуры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Электроника представляет собой бурно развивающуюся отрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область посвященная применению электронных приборов в промышленности называется - промышленной электроникой.

Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием радиотехники. Электроника и радиотехника настолько тесно связаны, что в 50-е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника. Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с проблемой передачи, приема и преобразования информации при помощи электромагнитных колебаний и волн в радио и оптическом диапазоне частот. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолокации, в радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерении и других областях радиотехники.

Современный этап развития техники характеризуется все возрастающим проникновении электроники во все сферы жизни и деятельности людей. По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимает электроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно-технических проблем.

Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования.

1. Понятие миниатюризации

В настоящее время в связи с развитием электронной техники появилась возможность создания радиоэлектронной аппаратуры, компьютеров, аппаратуры связи, позволяющих решать сложные технические, научные и производственные задачи. Усложнение аппаратуры привело к резкому увеличению числа электро- и радиоэлементов, входящих в ее состав. Таким образом, появилась необходимость микроминиатюризации аппаратуры.

Миниатюризация - микромодульная компоновка компонентов с применением интегральной и функциональной микроэлектроники. Конструктивно к сборочным единицам относят модуль, микромодуль, гибридные интегральные микросхемы (ГИМ), полупроводниковые интегральные микросхемы, микропроцессоры и элементы на жидких кристаллах. Функционально модуль представляет собой сборочную единицу, выполненную на диэлектрическом основании и состоящую из малогабаритных навесных элементов. Технология изготовления модуля аналогична технологии изготовления печатной платы. Различают модули:

· плоские

· объемные

Конструкцию плоских модулей выполняют на печатных платах, определенных унифицированных размеров, из которых основными являются длина и ширина. Чаще всего платы выполняют в виде квадрата. Необходимая величина площади платы зависит от элементов, установленных на ней. Высота плоского модуля определяется габаритными размерами наибольшего элемента, входящего в модуль.

Современное развитие электронной техники позволяет создавать РЭА, ЭВМ, аппаратуру связи, способные обеспечить решение сложных задач. Одновременно с усложнением аппаратуры резко возрастает число электро- и радиоэлементов, входящих в ее состав, следовательно, становятся более важными проблемы микроминиатюризации аппаратуры.

Первые попытки миниатюризации РЭА были направлены на уменьшение размеров радиодеталей и в первую очередь на создание миниатюрных электровакуумных и полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, переключателей.

Разработка радиодеталей в миниатюрном исполнении привела к появлению модулей и микромодулей, а объемный (навесной) монтаж аппаратуры заменен печатным. Модульная и микромодульная конструкции позволили существенно уменьшить массу и габариты аппаратуры по сравнению с объемным монтажом, резко повысить надежность ее работы и снизить трудоемкость производственного процесса. Модульное, микромодульное конструирование радиоаппаратуры резко изменило характер производства: значительно повысилась степень механизации и автоматизации, упростились сборочно-монтажные и регулировочные работы благодаря тщательной отработке, наладке и тренировке модулей или микромодулей до установки их в блоки. В настоящее время выпускают большую номенклатуру микромодулей и аппаратуры на их базе.

Основной тенденцией в конструировании РЭА и ЭВМ является комплексная микроминиатюризация -- микроэлектроника.

Микроэлектроника -- это область электроники, охватывающая проблемы исследования, конструирования, изготовления и применения микроэлектронных изделий (интегральных микросхем).

Конструктивно-технологические процессы производства интегральных микросхем разделяют на толстопленочные, тонкопленочные и полупроводниковые. В соответствии с этим микросхемы подразделяются на пленочные интегральные микросхемы и полупроводниковые.

Трудности в создании пленочных активных элементов (диодов, транзисторов) вызвали необходимость в разработке и широком применении гибридных интегральных микросхем, пассивная часть которых состоит из проводников, конденсаторов, резисторов, изготовленных методами пленочной технологии, а активная--из готовых дискретных элементов.

Наибольшее распространение получили полупроводниковые интегральные микросхемы, основные элементы которых выполнены в виде транзисторных структур различных свойств и видов.

В настоящее время ученые работают над увеличением количества активных элементов в одном кристалле полупроводниковой интегральной микросхемы, т. е. повышением степени интеграции. Созданы микросхемы с плотностью в несколько сотен (большие интегральные схемы-- БИС) и даже тысяч элементов (сверхбольшие интегральные системы -- СБИС) на одном кристалле.

Это позволило перейти к новому этапу микроэлектроники -- функциональной (молекулярной) микроэлектроники и созданию на ее базе новых типов приборов -- функциональных молекулярных схем. Для функциональной микроэлектроники характерно использование различных объемных явлений, молекулярных и межмолекулярных связей. Помимо чисто электрических связей здесь используют оптические, акустические, магнитные, химические и другие явления.

2. Критерии миниатюризации

радиодеталь миниатюрный аппаратура

Три основных критерия определяют степень миниатюризации изделия. Во-первых, с уменьшением размеров микросхемы можно рассчитывать на повышение объемов ее продажи и увеличение применения, особенно в таких областях, как медицина, телекоммуникации, космонавтика и военная промышленность. Однако оптимальный выбор размеров изделия представляет собой компромисс между возможностями технологии и затратами на его изготовление.

Во-вторых, для отраслей, в которых расходы на миниатюризацию изделий являются оправданными, одним из первоочередных требований является их высокая надежность.

Существующие технологии миниатюризации позволяют сократить общее число соединений и их длину. При этом уменьшается индуктивность выводов, повышается КПД изделия и уменьшается его перегрев. В результате увеличивается надежность изделия.

В-третьих, принятие решения о миниатюризации изделий нередко связано с производственными проблемами (плотностью размещения кристаллов микросхем, свойствами подложки с печатными проводниками, наличием компонентов, возможностью автоматизации производства), а также с ожидаемым соотношением производственных затрат и планируемой прибыли.

Если успех изделия на рынке зависит от степени его миниатюризации, способности работы на более высоких частотах и уменьшения рассеиваемой мощности, то большинство технологических проблем при его изготовлении так или иначе связано с монтажом кристалла на подложку. К примеру, с уменьшением размера кристаллов микросхем все более важной становится оптимальная трассировка проводников.

Неудачная трассировка может привести к увеличению паразитных емкости, индуктивности и сопротивления проводников, что увеличит потребляемую мощность и паразитные связи между элементами. Слишком плотное размещение дорожек может привести к увеличению отказов из-за короткого замыкания между ними.

3. Этапы миниатюризации

1-й этап. Первоначально задачами миниатюризации радиоэлектронной аппаратуры являлись уменьшение размеров радиодеталей и создание миниатюрных электровакуумных и полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности и переключателей.

Разработка радиодеталей в миниатюрном исполнении привела к появлению модулей и микромодулей, при этом объемный (навесной) монтаж радиоаппаратуры был заменен печатным. Благодаря этому был внедрен в производство новый метод конструирования, названный модульным.

Модульная конструкция позволила:

1) существенно уменьшить массу и габариты аппаратуры по

сравнению с объемным монтажом;

2) резко повысить надежность работы аппаратуры;

3) уменьшить трудоемкость производственного процесса.

Модульное и микромодульное конструирование радиоаппаратуры значительно повышает степень механизации и автоматизации, а также упрощает сборочно-монтажные и регулировочные работы благодаря тщательной отработке, наладке и тренировке модулей или микромодулей до установки их в блоки.

Промышленностью выпускается большая номенклатура микромодулей и аппаратуры на их базе.

2-й этап. Дальнейшим развитием микроэлектроники и микроэлектронной технологии явилось создание микросхем на основе пленочной технологии, в которых в качестве активных миниатюрных радиодеталей используются полупроводниковые приборы в микроминиатюрном исполнении, а пассивными элементами (резисторами, конденсаторами и т.д.) служат тонкие пленки. Такая технология называется интегральной, а элементы схемы -- пленочными интегральными микросхемами.

3-й этап. В процессе совершенствования интегральной технологии были созданы микросхемы в одном кристалле полупроводникового материала. Такие микросхемы называются полупроводниковыми микросхемами, или твердыми схемами. Кроме того, ведутся работы по дальнейшему увеличению числа активных элементов в одном кристалле, т. е. по повышению степени интеграции. Уже созданы интегральные микросхемы с плотностью в несколько сотен тысяч элементов на кристалл размером не более 1x1 мм.

4-й этап. В результате дальнейшего развития микроэлектроники были созданы многофункциональные молекулярные схемы, принцип действия которых основан на использовании различных объемных явлений, молекулярных и межмолекулярных связей. Такие схемы выполняют функции многих узлов, что позволит создать сложнейшие радиоэлектронные устройства на основе нескольких микросхем.

Заключение

Таким образом, развитие микроминиатюризации аппаратуры, начатое с уменьшения размеров радиодеталей, шло по пути создания новых материалов, новой технологии и использования совершенно новых принципов, основанных на молекулярных свойствах вещества.

Следует отметить, что достижения микроэлектроники позволили не только уменьшить размеры радиоэлектронной аппаратуры, но и обеспечили увеличение надежности и долговечности, снижение стоимости и упрощение технологии изготовления аппаратуры.

Список литературы

1. J. Jay Wilmer, “3-D Chip Scale with Lead-Free Processes”. - Журнал “Semiconductor International”, 2003, No 10.

2. Электронные компоненты и системы, 2009, № 1, с. 43-46

3. Мельниченко А. Технология миниатюризации РЭА - Учебник - Х., Феникс, 2009 - 486 с.

Размещено на Allbest.ru