Конструктивно-технологические особенности электронной аппаратуры.

Технология – это наука, которая изучает основные закономерности, действующие в процессе производства, и использует их для получения изделий требуемого качества, заданного количества и номенклатуры при минимальных материальных, энергетических и трудовых затратах. Технология (от греч. techne – умение, мастерст­во, logos – наука) – это наука о мастерстве.

Современная электронная аппаратура(ЭА) представляет собой сложный комплекс технических устройств, объединенных общим управлением и предназначенных для автоматического приема, преобразования, обработки и передачи информации в соответствии с заданным алгоритмом. С конструктивно-технологической точки зрения ЭА – это совокупность механических деталей, активных и пассивных электрорадиоэлементов (ЭРЭ), интегральных микросхем (ИМС), объединенных в функционально законченные сборочные единицы, и их модульная компоновка. Базовые конструкции аппаратуры имеют несколько уровней модульности, предусматривающих объединение простых модулей в более сложные. По мере развития ЭА элементная база и состав модулей изме­няются, изменяется и технология их изготовления. Эти изменения удобно проследить, рассматривая поколения выпускаемой ЭА (рис. 1.1)

Рис.1.1 Структурная схема поколений ЭА.

Первое поколение (20-50-е гг.) характеризовалось использованием элек­тровакуумных приборов (ЭВП), элек­тромеханических коммутационных эле­ментов (КЭ) и объемных ЭРЭ. В каче­стве начального уровня использовался объемный модуль (ОМ), под которым подразумевалась часть схемы, выпол­няющая определенную функцию (формирование, усиление, преобразова­ние сигнала) и имеющая законченное конструктивное оформление. Электрическое соединение ЭРЭ на всех уров­нях осуществлялось вручную с приме­нением проводного (объемного) мон­тажа. Аппаратура имела большие га­бариты и массу, низкую надежность, высокую трудоемкость сборки, низкую плотность монтажа (не более 2–5 соед/см²), потребляла большое количество электроэнергии (1 – 100 кВт).

При дальнейшем развитии ЭА возникло противоречие между стремлением конструкторов повысить плот­ность монтажа и большой мощностью, рассеиваемой ЭВП, которое разрешилось созданием новой элементной базы – полупроводниковых приборов (ППП).

Второе поколение (50-60-е гг.) характеризовалось широким примене­нием дискретных ППП, микромодулей из объемных ЭРЭ, внедрением печатных плат (ПП) на этапе сборки функциональных ячеек. Межблочные со­единения выполнялись жгутовым монтажом. Плотность монтажа увеличилась в 10 раз и составила 15–20 соед/см², в 10 раз увеличилась производительность процессов сборки за счет групповой пайки волной припоя, объем функциональных ячеек уменьшился в 20–25 раз, потребляемая мощность – в 10–20 раз.

Третье поколение (70-80-е гг.) характеризовалось использованием интегральных элементов и созданием типовых элементов сборки (ТЭС), которые отличались упорядоченным рас­положением элементов, что позволило использовать их механизированную установку на платы. ИМС стала модулем первого уровня, а плотность упаковки достигла 500 элем/см².

Вначале превалировали аналоговые ИМС на основе биполярных транзисторов. Начиная с 1975 г. большее распространение получили цифровые ИМС на основе МОП-структур (металл–оксид–проводник), которые обладали существенными преимуществами по возможности миниатюризации, энергопотреблению и высокому проценту выхода годных изделий. Объем блоков уменьшился в 20 раз, потребляемая мощность – в 15 раз, а производительность труда увеличилась в 3 – 5 раз по сравнению со вторым поколением ЭА.

Для монтажа функциональных ячеек (ФЯ) стали применяться многослойные печатные платы (МПП), а внутриблочный монтаж проводили с помощью коммутационных печатных плат (КПП) и гибких печатных кабелей (ГПК). Межблочные соединения выполнялись методом накрутки с помощью эффективного полуавтоматического и автоматического оборудования. Это позволило достигнуть высокой идентичности и надежности аппаратуры и снизить ее себестоимость, широко применять автоматизацию производства.

В дальнейшем возникло новое противоречие: степень интеграции элементов в одном кристалле достигла 10⁵ элементов, а габариты блоков оставались значительными из-за громоздких функциональных, коммутационных и других элементов.

Четвертое поколение (80-е гг.) характеризовалось использованием микроблоков, которые содержали микросборки частного применения, бескорпусные ИМС, большие и сверхбольшие интегральные микросхемы (БИСи СБИС), акусто- и оптоэлектронные приборы, а также безвыводные поверхностно-монтируемые ЭРЭ и ИМС.

Основной конструктивной единицей оставался ТЭС, но для его изготовления использовались методы поверхностного монтажа, внутриблочный монтаж полосковыми линиями (ПЛ) и ГПК. Плотность монтажа увеличилась, объем монтажа уменьшился в 20 раз, потребляемая мощность – в 50 раз, производительность труда уве­личилась в 40–50 раз по сравнению со вторым поколением.

Совершенствование элементов памяти на полупроводниковых структурах для внутренних запоминающих устройств (ЗУ) позволило в едином технологическом цикле на одной подложке создавать не только матрицы памяти, но и схемы управления ЗУ. Таким образом были созданы микропроцессоры –устройства обработки цифровой информации, состоящие из памяти, операционной и управляю­щей частей. Быстродействие электронных приборов по сравнению со вторым поколением возросло на два порядка, что привело к расширению их функциональных возможностей в обработке информации (1 Гбит/с).

Многие виды СБИС, например ана­лизаторы и синтезаторы речи, ЗУ, удовлетворяли требованиям обработки больших объемов данных, свойственных эре информации. Так, в 90-х гг. до 50 % всего работающего населения в США и 35 – 40 % в Западной Европе и Япо­нии было занято в сфере информации. Успехи в развитии технологии СБИС как ключевого элемента систем обработки информации оказали глубокое влияние на всю мировую экономику.

Пятое поколение (90-е гг.) характеризуется использованием многокристальных модулей (МКМ), сверхпроводниковых схем и элементов, вхождением в молекулярную электронику. Это требовало создания новых материалов, сверхчистых и безлюдных технологий. Повышение степени ин­теграции изменило состав и структуру конструктивных уровней компоновки ЭА: увеличилась сложность элементной базы, уменьшилось число уровней, снизилась сложность конструкции устройств, т. е. микроэлектронные изделия заняли уровни более высокой функциональной сложности.

В XXI в. темпы внедрения иннова­ций в микроэлектронику будут еще выше. Так, программа развития нацио­нальной полупроводниковой промышленности США (National Technology Roadmap for Semiconductors) в 2001г. предусматривает переход на топологический размер 0,15 мкм, плотность элементов достигнет 10⁷/см², алюминиевая металлизация будет заменена на медную.

Анализ развития ЭА позволяет не только установить особенности современной аппаратуры, но и наметить перспективные пути развития технологии ее производства. К конструктивно-технологическим особенностям ЭА относятся:

· постепенное усложнение и переход от аппаратов к сложным комплексам и системам;

· прогрессирующая микроминиатюризация изделий;

· модульная компоновка из функционально законченных схем и блоков;

· изготовление отдельных модулей и последующая их сборка в более сложные единицы;

· автоматизация проектирования, изготовления и управления производством.

Таким образом, микроминиатюризация и повышение степени интеграции определяют комплексный подход к разработке ЭА, включающий во взаимосвязи решение системо-, схемотехнических и конструкторско-технологических вопросов.

1.2. Структура производственного процесса, виды и типы технологических процессов.

Производственный процесс– это совокупность действий, в результате которых сырье, материалы и полуфабрикаты, поступающие на предприятие, превращаются в готовое изделие. Он делится на основной и вспомогательный.

Основной производственный процесс – это изготовление продукции, определяемой госзаказом и договорами с другими предприятиями.

Вспомогательный –ремонт оборудования, транспортирование объектов производства, изготовление оснастки, инструментов, электроснабжение.

Технологический процесс(ГОСТ 3.1109–82) – часть производственного процесса, представляющая собой комплекс действий исполнителей и оборудования, направленных непо­средственно на преобразование материалов и комплектующих изделий в готовое изделие. ТП состоит из операций, установов, позиций, переходов (рис. 1.2).

Операция– законченная часть ТП, выполняемая на одном рабочем месте одним или несколькими рабочими при неизменном технологическом оборудовании. С изменением вида оборудования вводится новая операция. Технологическая операция является ос­новной единицей производственного планирования и учета. На основе операций оценивается трудоемкость изготовления изделий и устанавливаются нормы времени и расценки, определяется требуемое количество рабочих, оборудования, приспособлений и инструмента, себестоимость, ведется календарное планирование производства и осуществляется контроль качества и сроков выполнения работ. В условиях автоматизированного производства под операцией следует понимать законченную часть ТП, выполняемую непрерывно на автоматической линии, которая состоит из нескольких единиц технологического оборудования, связанных автоматически действующими транспортно-загрузочными устройствами. При гибком автоматизированном производстве непрерывность выполнения операции может нарушаться, например, направлением собранного полуфабриката, электронного узла на промежуточный склад-накопитель в периоды между отдельными операциями, выполняемыми на разных технологических модулях.

Рис 1.2.Структура производственного процесса.

Кроме технологических в состав ТП включают ряд необходимых для его осуществления вспомогательных операций (транспортных, контрольных, маркировочных и т. п.).

Установ– часть операции, выполняемая при одном закреплении изделия.

Позиция–фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сборочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижной части оборудования для выполнения определенной части операции.

Переход–законченная часть опера­ции, которая характеризуется постоянством инструмента, оснастки, режимов обработки, поверхности детали. Переход делится на рабочий ход и вспомогательный. Рабочий ход обеспечивает из­менение характеристик обрабатываемой детали, вспомогательный — возврат рабочего органа в исходное положение

Длительность производственного цикла Т_ц – это время между запуском в производство и окончанием изготовления партии изделий, которое зависит от сочетания операций.

При последовательном сочетании:

где N –количество изделий в партии;

Т_s –время прохождения всех операций одним изделием;

Т_штi, –штучное время i-й операции.

При параллельном сочетании каждое изделие переходит на следующую операцию, не ожидая, пока остальные изделия этой партии пройдут данную операцию, тогда

где Т_max – длительность максимальной по времени операции.

При смешанном способе сочетания операций:

где t_см – смещение во времени между началами двух последовательно идущих операций

Различают технологический и производственный циклы изготовления изделий.

Технологический цикл– это минимальное суммарное время, необходимое для прохождения одной партии изделий по маршруту изготовления от первой операции до последней. Он складывается из длительности операций с учетом времени на загрузку-выгрузку.

Производственный цикл–это фактическое время изготовления изделий в условиях реального производства. Он складывается из технологического цикла и длительности вспомогательных операций: транспортирования партий, контроля качества, времени пролеживания между операциями.

Оптимально, если производственный цикл равен двум технологическим. Так, в японских компаниях технологический цикл изготовления кристалла 64К составляет 3 сут при трехсменной работе, а производственный – 6 сут (в США – 40 сут). Чем короче цикл изготовления, тем выше выход годных изделий.

Согласно ГОСТ 14.002–83 Единой системы технологической подготовки производства (ЕСТПП), все ТП по степени универсальности и применяемости подразделяются на единичные и унифицированные.

Единичный ТП – это ТП, который разработан для изготовления изделия одного наименования независимо от программы выпуска.

Унифицированный ТП разрабатывается для группы изделий, имеющих определенные признаки общности. К унифицированным относятся групповые и типовые ТП.

Типовые ТП разрабатываются для группы изделий, объединенных на основе признаков конструктивно-технологической общности, и характеризуются единством содержания и последовательности большинства техно­логических операций и переходов для объектов всей группы.

Групповой ТП отличается от типового тем, что разрабатывается для группы изделий более широкой номенклатуры, которые могут не иметь геометрического подобия. Они объединяются в группу по наличию признаков общности обработки, технологической наладки на ту или иную операцию, последующей совместной обработки. Типовые и групповые процессы приведены в отраслевых и государственных стандартах.

При разработке унифицированных ТП все детали и сборочные единицы предварительно классифицируют по признакам конструктивной и технологической общности, используя конст­рукторские и технологические клас­сификаторы. Для каждого из система­тизированных классов деталей и сбо­рочных единиц разрабатывается еди­ный унифицированный ТП, по кото­рому может быть изготовлено любое изделие этого класса. Следовательно, унификация ТП совместно с унифи­кацией изделий позволяет привести в систему существующие ТП, значи­тельно сократить сроки и затраты на технологическую подготовку произ­водства, поставить на научную основу разработку новых ТП, автоматизи­ровать проектирование ТП, внедрить передовые и экономичные методы труда и технологическое оснащение. Типовые ТП эффективны в условиях крупносерийного и массового, груп­повые – в условиях мелкосерийного и серийного производства.

По основному назначению ТП раз­деляются на рабочие и перспективные. Рабочий ТП выполняется по рабочей технологической и конструкторской документации, перспективный ТП со­ответствует современным достижени­ям науки и техники, но методы и средства его осуществления на данном предприятии предстоит освоить.

В зависимости от типа производст­ва разработанный ТП может быть представлен с различной степенью де­тализации: маршрутный, маршрутно-операционный, операционный. Мар­шрутный ТП – процесс, выполняе­мый по документации, в которой содержание операций излагается без указания переходов и детализации режимов обработки. В маршрутно-операционном и операционном ТП со­держание соответственно отдельных (наиболее сложных и важных) или всех операций конкретизируется с указанием содержания переходов и режимов обработки.

ТП реализуется с помощью универ­сального и специального технологиче­ского оснащения (СТО), к которому в соответствии с ГОСТ 14.301–85 отно­сятся оборудование, оснастка и сред­ства механизации и автоматизации.

Технологическим оборудованиемна­зывают орудия производства, в кото­рых для выполнения определенной части ТП размещаются материалы или заготовки, средства воздействия на них, технологическая оснастка и, при необходимости, источники энергии.

Технологическая оснасткапредставляет собой орудия производства, добавляе­мые к технологическому оборудова­нию для выполнения определенной части ТП, например штампы, пресс-формы, сборочные головки и др.

Средства механизации– это орудия производства, в которых ручной труд человека частично или полностью за­менен машинным с сохранением уча­стия человека в управлении.

Средства автоматизации– это орудия произ­водства, в которых функция управле­ния передана машинам и приборам.

Тип производства определяет не только степень детализации разрабо­танного ТП, но и организационно-технические и экономические показа­тели. Под типом производства пони­мается классификационная категория, определяемая по признакам широты номенклатуры, регулярности, стабиль­ности и объема выпуска изделия. В зависимости от номенклатуры, регу­лярности и объема выпуска (ГОСТ 14.004–84) производство подразделя­ется на три типа: единичное, серий­ное и массовое. Одной из основных характеристик типа производства яв­ляется коэффициент закрепления опе­раций, который равен отношению ко­личества выполняемых операций О к числу рабочих мест Р:

Единичное производство характери­зуется широкой номенклатурой изго­тавливаемых изделий и малым объе­мом их выпуска. Для серийного произ­водства характерна ограниченная но­менклатура изделий, изготавливаемых периодически повторяющимися пар­тиями при сравнительно большом объеме выпуска. В зависимости от ко­личества изделий в партии и значения Кзо серийное производство может быть мелкосерийным и крупносерийным.

Наи­более характерные признаки типов производства приведены в табл. 1.1.

Для производства ЭА характерно изменение серийности производства: изготовление элементов и функцио­нальных электронных модулей следует рассматривать как крупно-серийное или массовое производство, а оконча­тельную сборку и настройку всего из­делия – как мелкосерийное, что не­обходимо учитывать при проектиро­вании ТП и организации производст­ва. Чем больше серия выпускаемых изделий и меньше их номенклатура, тем большее число операций включает разрабатываемый ТП.

Таблица 1.1. Характеристика типов производства

Показатель ТП	Тип производства
Мелкосерийное	Серийное	Крупносерийное	Массовое
Объем N, партии тыс. шт Кз.о Номенклатура изделий Регулярность выпуска Технологическое оснащение Квалификация рабочих Специализация рабочих мест Степень детализации процесса	1-10 20 < Кз.о. <40 Очень широкая Нет Универсальное Высокая Отсутствует Маршрутный	10-100 100-1000 10< Кз.о < 20 1 < Кз.о <10 Широкая Ограниченная Периодические партии Специализированное Средняя На выполн. нескольких операц. Маршрутно- Операционный операционный	>1000 Кз.о <1 Узкая Непрер. выпуск Специальное Низкая На каждой операц Операционный

Если ТП состоит из укрупненных операций, содержащих большое коли­чество переходов, то такой процесс называется концентрированным. Он ха­рактеризуется высокой квалификаци­ей рабочих, универсальностью обору­дования и оснастки, упрощением нор­мирования, но большой длительно­стью цикла изготовления изделия.

Массовое производство отличается узкой номенклатурой и большим объ­емом выпуска изделий, непрерывно изготавливаемых в течение продолжи­тельного времени. При этом исполь­зуется специальное высокопроизводи­тельное оборудование, которое рас­полагается по ходу технологического процесса и во многих случаях связы­вается транспортными устройствами и конвейерами с постами промежуточ­ного автоматизированного контроля, а также промежуточными складами – накопителями деталей и сборочных единиц, снабженными роботами-ма­нипуляторами, широко применяются автоматические линии и автоматизи­рованные производственные системы, управляемые ЭВМ.

Требуемая точность достигается ме­тодами автоматического получения размеров на настроенном оборудова­нии при обеспечении взаимозаменяе­мости обрабатываемых заготовок и сборок. Только в отдельных случаях применяется селективная сборка, обес­печивающая групповую взаимозаме­няемость.

Средняя квалификация рабочих в современном массовом производстве ниже, чем в единичном, так как на автоматизированном оборудовании мо­гут работать рабочие-операторы срав­нительно низкой квалификации.