Среди разнообразных приборов функциональной электроники наибольшее распространение получили:
– акустоэлектронные приборы;
– приборы на волнах пространственного заряда в твердом теле;
– приборы с зарядовой связью;
– оптоэлектронные устройства с распределенным взаимодействием и т.п.
Основные определения. Сформулируем основные определения, относящиеся к понятиям: конструкция, конструирование, технология.
Конструкция – материал целесообразно организованный в пространстве. Под словом "целесообразно" применительно к техническим конструкциям понимается: способность выполнять определенные функции и сохранять свойства, обеспечивающие выполнение функций, при наличии внешних воздействий; пригодность к высокоэффективному повторению, т. е. производству. Такое определение является наиболее общим, оно относится как к ЭРЭ, так и к УФЭ и ИС. Для конструкции, состоящей из совокупности раздельно изготавливаемых и собираемых деталей, пригодно следующее определение. Конструкция есть организованная совокупность элементов и деталей, способная выполнять заданные функции при наличии внешних и внутренних дестабилизирующих факторов и пригодная к повторению в условиях производства.
Конструирование – процесс создания конструкции или область деятельности инженеров по созданию конструкций.
Технология – это совокупность способов, процессов обработки и оборудования, используемых при изготовлении элементов конструкции и сборке аппаратуры (механическом и электрическом соединении), обеспечивающих получение заданной конструкции с высокой производительностью и малыми затратами. Вместе с тем под термином "технология" понимают область деятельности инженеров по проектированию технологических процессов и приспособлений.
Использование системного подхода. В настоящее время в науке и технике при исследованиях, проектировании, производстве и эксплуатации общее признание получил системный подход. Он связан с понятием "система". Под системой следует понимать совокупность взаимосвязанных разнообразных устройств или частей, совместно выполняющих заданные функции в условиях взаимодействия с внешней средой, с учетом их развития и противоречий. Каждая система состоит из частей или подсистем, и, в свою очередь, входит в систему более высокого иерархического уровня.
Важной задачей всегда остаются повышение технической эффективности и снижение стоимости РЭА.
Гибкие автоматизированные производительные системы
(ГАПС)
Коренные изменения в автоматизации производства связаны с внедрением роботов и вычислительной техники. Широкое использование вычислительной техники в технологии совместно со станками ЧПУ и программируемыми роботами привело к созданию роботизированных участков и ГАПС. Общие вопросы создания и эксплуатации ГПС освещены в специальной литературе. В последующем под ГАПС будем понимать такие производственные системы, в которых смена объекта изготовления достигается сменой программы, на основе которой ЭВМ управляет исполнительными органами, т. е. роботами, манипуляторами. Это позволяет при определенных ограничениях на одном и том же оборудовании без изготовления нового инструмента и приспособлений изменять изготовляемые детали и узлы.
В настоящее время на основе ГАПС успешно решаются задачи автоматизации производства широкой номенклатуры деталей с механической обработкой, простых узлов, изготовление которых предусматривает несложные сборочно-регулировочные операции, а также конструкций типа печатных плат и др. При этом следует иметь в виду, что оборудование ГАПС оказывается более сложным, чем предназначенное для традиционного изготовления и чем "жесткие" автоматы. Исходя из изложенного применительно к ЭРЭ, следует сформулировать условия, при которых целесообразно или нецелесообразно ориентироваться на ГАПС. Для ЭРЭ, УФЭ и деталей, входящих в их состав, возможны три случая.
1. Детали или ЭРЭ данного типономинала выпускаются в массовых количествах в условиях, когда не требуется частая перестройка оборудования, например, такие детали, как ферритовые сердечники, лепестки и такие ЭРЭ, как некоторые типы резисторов и конденсаторов и др.
2. Детали или ЭРЭ ряда типономиналов выпускаются серийно на основе использования базовой конструкции, но с большим количеством вариантов в пределах этой базовой конструкции, например, такие детали, как втулки, оси и такие ЭРЭ, как катушки индуктивности, трансформаторы, дроссели и др.
3. Электрорадиоэлементы и УФЭ выпускаются в небольших количествах, отличаются сложностью конструкций и использованием разнохарактерных технологических процессов, для которых еще не выработаны базовые конструкции, например, запоминающие устройства на ЦМД и т.п.
Стандартизация ЭРЭ УФЭ. Существует Государственная система стандартов (ГСС). Основными целями ее введения являются ускорение технического прогресса, повышение эффективности общественного производства, производительности инженерного труда и т. д. Стандартизация имеет важнейшее значение и в конструировании РЭА и их элементов.
Определение стандартизации дано в ГОСТ-1.0-68: установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области. Стандартизация основывается на объединенных достижениях науки, техники, передового опыта. Она определяет основу будущего развития. Опережающая стандартизация - стандартизация, заключающаяся в установлении повышенных по отношению к уже достигнутому на практике уровню норм, требований к элементам, которые согласно прогнозам будут оптимальными в будущем.
Наибольшее применение в конструировании элементов РЭА имеет система стандартов ЕСКД. В эту систему входит много стандартов, например ГОСТ 2.001-70 – общие положения; ГОСТ 2.101.-68 – виды изделий; ГОСТ
2.102-68 – виды и комплектность конструкторской документации; ГОСТ
2.103-68 – стадии разработки конструкторской документации; ГОСТ 2.105-79 ГОСТ 2.106-68 – общие требования к текстовым документам; ГОСТ 7.32-81 – требования к отчетам по НИР и т. д.
1.2 ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ РЭС И УСТРОЙСТВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
Развитие элементной базы РЭА, в том числе и РЭС прошло четыре этапа, которые в основном связаны с развитием элементной базы. Обычно говорят о четырех поколениях РЭА:
первое – создание РЭА на основе электровакуумных
(1915-1955 гг.) приборов и дискретных ЭРЭ; второе – использование дискретных транзисторов и
(1955-1965 гг.) миниатюрных ЭРЭ;
третье – применение ИС и микроминиатюрных
(1965 – 1980 гг.) дискретных ЭРЭ; четвертое – комплексное использование ЭРЭ, БИС и СБИС, (с 1980 г.) УФЭ и микропроцессорных комплектов.
Развитие элементной базы определяется потребностями СМЭ и основано на достижениях физики, технологии и производства. Особенно быстро она стала развиваться с начала 60-х гг., когда достижения физики создали основу для появления микроэлектроники. Это привело к формированию в конструкции и технологии самостоятельного направления – конструирования и технологии радиоаппаратуры.
Четвертый этап продолжается и в настоящее время. Существуют и другие классификации, особенно в отдельных направлениях РЭА.
Современная микроэлектроника базируется на интеграции дискретных элементов электронной техники, при которой каждый элемент схемы формируется отдельно в полупроводниковом кристалле. При этом в основе создания, ИМС лежит принцип элементной (технологической) интеграции, сопровождающейся микроминиатюризацией элементов (активных и пассивных) микросхемы. В ИМС можно выделить области, представляющие собой активные (диоды, транзисторы) и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) элементы. В интегральной микроэлектронике сохраняется главный принцип дискретной электроники, основанной на разработке электрической схемы по законам теории цепей. Этот принцип неизбежно связан с ростом числа элементов микросхемы, и межэлементных соединений по мере усложнения выполняемых ею функций. Повышение степени интеграции микросхем и связанное с. этим уменьшение размеров элементов имеет определенные пределы. Интеграция свыше нескольких сотен тысяч элементов (в отдельных случаях и миллионов) на одном кристалле оказывается экономически нецелесообразной и технологически трудно выполнимой.
Сложными становятся проблемы топологии и теплоотвода. Поэтому в отдаленной перспективе интегральная микроэлектроника уже не будет полностью удовлетворять разработчиков сложной радиоэлектронной аппаратуры.
Функциональная микроэлектроника предполагает принципиально новый подход, позволяющий реализовать определенную функцию аппаратуры без применения стандартных базовых элементов, основываясь непосредственно на физических явлениях в твердом теле. В этом случае локальному объекту твердого тела придаются такие свойства, которые требуются для выполнения данной функции, и промежуточный этап представления желаемой функции в виде эквивалентной электрической схемы не требуется. Функциональные микросхемы могут выполняться не только на основе полупроводников, но и на основе таких материалов, как сверхпроводники, сегнетоэлектрики, материалы с. фотопроводящими свойствами и др. Для переработки информации можно использовать явления, не связанные с электропроводностью (например, оптические и магнитные явления в диэлектриках, закономерности распространения ультразвука и т.д.).
Таким образом, функциональная микроэлектроника охватывает вопросы получения специальных сред с наперед заданными свойствами и создания различных электронных устройств методом физической интеграции, т. е. использования таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить приборы со сложным схемотехническим или системотехническим функциональным назначением.