1

Лекция 1

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).

Вэтой связи совершенствование технологии производства ЭВС требует притока новых кадров и соответствующей их подгонки. Поэтому целью данной дисциплины является изу-

чение 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.

2

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), отличающиеся спо-

собом обработки представляемой информации (аналоговые, цифровые, комбинированные); характером выполняемых операций (универсальные, специализированные); конструктив-

ным исполнением (простейшие модульные, моноблочные, полиблочные, комплексы и др.);

условиями эксплуатации и 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

менее 6 1012 Гц) 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 (элек-

тромагнитных колебаний с частотой до 1020 Гц), обработки, хранения и передачи информа-

ции. Слияние электроники и радиотехники расширило возможности последней и способствовало появлению большого разнообразия радиоэлектронных 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 реализации изделий 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 об интегральной 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 о функциональной МЭ. Только в этом случае схемотехническую интеграцию называют технологической, а функциональную интеграцию – физической.

Конструкцией ЭВС следует 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

3

заданных функций в условиях эксплуатации. Конструкция любого электронного устройства (ЭУ), изготовленная на предприятии и пригодная к эксплуатации является готовым издели-

ем.

4

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

Под компоновкой следует 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 пред- приятию-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 называется комплексом 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, техно-

6

логия 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, называемая микроэлектронной 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 монтажа направлена 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 материалы различают 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 ко р- пусированной ИС элементами являются: кристалл, тело корпуса, выводы и др.

7

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, дискретные электрорадиокомпоненты (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 многим суперкомпонентам, 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 компьютерноинтегрированных технологий.

Под технологичностью конструкции следует понимать такое сочетание ее конструк- торско-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.

Конструкторско-технологические особенности современных ЭВС и технологические задачи, решаемые при их производстве.

Основные технологические задачи производства ЭВС могут быть сформулированы только на основе анализа их конструкторско-технологических особенностей. Конструктивы, рассчитанные на современную работу в ЭВС, отличаются по функциональным, физическим, конструкторско-технологическим признакам и типам связи. Одно из важнейших свойств конструкции ЭВС – возможность ее многократного повторения в условиях производства.

По уровню функциональной сложности ЭВС подразделяются на функциональные уз-

лы (ФУ), электронные устройства (ЭУ), электронные комплексы (ЭК) и электронные системы (ЭС).

Примерами ФУ могут служить ячейки, представляющие собой совокупность ИС и дискретных ЭРК, смонтированных на одной печатной плате для выполнения элементарных действий (регистр, сумматор, дешифратор, счетчик и др.). Эти ФУ используются в ЭВС более высоких уровней функциональной сложности и самостоятельного применения не имеют.

Электронные устройства представляют собой автономную часть ЭВС и выполняют более сложные функции. Примерами ЭУ могут быть арифметические и запоминающие устройства, устройства управления и сопряжения и др., реализуемые в виде блоков. ЭУ, как и ФУ являются функционально и конструктивно законченными конструктивами, но используются только в составе функционально более сложных ЭВС, например в ЭК и ЭС, в том числе в виде встраиваемых ячеек и блоков в составе комплексов РЭС, реализованных в микроэлектронном исполнении, то есть в виде микроэлектронной аппаратуры (МЭА) (рис.1.1).

Примерами вычислительных электронных комплексов РЭС могут быть как персональные ЭВМ с периферийным оборудованием (рис.1.2), так и сложные, например, измеритель- но-вычислительные и др. комплексы. В частности, вычислительный комплекс летательного

8

аппарата может состоять из двух или нескольких бортовых ЭВМ с устройствами ввода – вывода информации, коммутаторами и другими устройствами, предназначенными для обработки и хранения информации (см., например, рис.1.1).

Примером электронной системы может служить аэродромная автоматизированная ЭС управления воздушным движением, которая производит измерение траекторных параметров самолетов и осуществляет управление самолетами. В состав этой системы могут входить наземные радиолокационный и вычислительный комплексы и бортовые ЭК.

Электронные комплексы и системы имеют самостоятельное применение, обладают возможностями перестройки структуры и обеспечивают функциональную связь и взаимодействие частей, из которых они состоят. Под функциональной связью понимают обмен информацией между составными частями ЭК и ЭС для обеспечения их функционирования как единого целого при решении поставленных задач. В состав комплексов и систем могут входить, кроме электронных узлов и устройств, различные механические, электромагнитные и другие средства, без которых невозможно выполнение некоторых функций, например, изготовление текстовой и графической документации и др. Это усложняет не только конструкцию, но и производство ЭВС.

Для облегчения, удешевления, возможности автоматизации разработки и производства, а также оперативности ремонта, современные ЭВС разрабатываются и изготовляются по функционально-модульному принципу. Суть этого принципа состоит в объединении функционально и конструктивно законченных простых единиц ЭУ в более сложные конструктивы. Таким образом, существует конструкторско-технологическая иерархия (последовательное объединение простых объектов (модулей низкого уровня) в более сложные (модули более высокого уровня)). С точки зрения производства – это позволяет одновременно, т.е. параллельно изготавливать модули различного уровня, осуществлять их контроль, замену при ремонте и т.д. Кроме того, модульный принцип позволяет создать определенные удобства и при эксплуатации ЭВС.

Типовые конструкции ЭВС (которые создаются на основе модулей различного уровня и обычно стандартизируются) компонуются по принципу не только входимости модулей низшего уровня в высшие, но и размерно-модульной координации габаритных и присоединительных размеров, что позволяет обеспечить совместимость конструктивов и оптимизировать их композицию.

Исходные неделимые конструктивы – ИС, БИС, функциональные компоненты, активные и пассивные ЭРК, печатные платы и другие различные детали составляют нулевой уровень конструкторско-технологической сложности, т.е. – это модули нулевого уровня. В процессе создания аппаратуры их объединяют в более сложные конструктивы, например,

9

Передающие

устройства Устройства связи

Приемные

устройства

Центральное

устройство обработки, управления и хранения информации

Рис.1.1. Упрощенная общая схема бортового комплекса МЭА.

10

ячейки, узлы, кассеты, то есть в модули первого уровня.

Электронные ячейки предназначены для реализации функций передачи, приема, преобразования или хранения информации, или выполнения математических операций. Ячейки выполняются на основе несущей конструкции, которой обычно является печатная плата

(ПП).

Несущей конструкцией (НК) называется конструктив, (или совокупность конструктивов), предназначенный для размещения на нем (или с его помощью) электронных средств и обеспечения их устойчивости и прочности в заданных условиях эксплуатации. Базовая несущая конструкция – это НК, габаритные размеры которой стандартизированы. Несущая конструкция модулей первого уровня в виде ПП предназначена не только для размещения и закрепления компонентов, но и обеспечивает электрическое соединение модулей нулевого уровня между собой, а иногда и теплоотвод, и экранирование. Модули первого уровня могут содержать рамки, планки, теплоотводящие, экранирующие, крепежные и другие детали.

Ячейки, выполняемые на основе базовой несущей конструкции, представляют собой конструктивно и функционально взаимозаменяемые сборочные единицы, то есть типовые элементы замены (ТЭЗ), не имеющие самостоятельного применения и входящие в модули более высокого уровня.

Модули второго уровня конструкторско-технологической сложности представляют собой электронные блоки, которые также являются конструктивно и функционально законченными конструктивами (сборочными единицами). Блоки объединяют ячейки механически и обеспечивают электрическую связь ячеек между собой. Несущие конструкции модулей второго уровня могут быть выполнены в виде панелей, рам, корпусов блоков и др., которые могут быть базовыми НК. Таким образом, электронным блоком называется модуль второго уровня, выполненный на основе модуля (или модулей) первого уровня. Модули второго уровня часто не имеют самостоятельного применения и используются в составе модулей более высокого уровня, например многоблочной ЭВМ (см. рис.1.2.).

Рис. 1.2. Внешний вид персональной ЭВМ типа BTRON (фирмы Matsushita Electric Industrial): 1 – системный блок; 2 – клавиатура комбинированная; 3 – клавишное поле, скомпонованное в соответствии с эргономическими требованиями; 4 – планшетный цифровой преобразователь с карандашом; 5- дисплей; 6- принтер.