close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Министерство образования и науки Российской Федерации

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО
«ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет кибернетики
Кафедра вычислительной техники
КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ПРОИЗВОДСТВА ЭВМ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
(рабочая учебная программа дисциплины)
Направление подготовки:
230100 «Информатика и вычислительная техника»
Профиль подготовки:
«Вычислительные машины,
комплексы, системы и сети»
Квалификация (степень):
бакалавр
Форма обучения :
заочная
Составитель программы:
Сидоров М.П., доцент кафедры вычислительной техники, к.т.н.
Иркутск 2013 г.
2
1.Информация из ФГОС, относящаяся к дисциплине
Вид деятельности выпускника
Дисциплина охватывает круг вопросов относящихся к виду деятельности
выпускника:
- проектно-конструкторская деятельность;
- проектно-технологическая деятельность.
1.1.
1.2.Задачи профессиональной деятельности выпускника
В дисциплине рассматриваются указанные в ФГОС
задачи
профессиональной деятельности выпускника:
Проектно-конструкторская деятельность:
Сбор и анализ исходных данных для проектирования. Проектирование
программных и аппаратных средств (систем, устройств, деталей, программ, баз
данных и т.п.) в соответствии с техническим заданием с использованием средств
автоматизации проектирования. Разработка и оформление проектной и рабочей
технической документации. Контроль соответствия разрабатываемых проектов и
технической документации стандартам, техническим условиям и другим
нормативным документам.
Проектно-технологическая деятельность:
Освоение и применение современных программно-методических комплексов
исследования и автоматизированного проектирования объектов профессиональной
деятельности.
1.3.Перечень компетенций, установленных ФГОС
Освоение программы настоящей дисциплины позволит сформировать у
обучающегося следующие компетенции:
использует
основные
законы
естественнонаучных
дисциплин
в
профессиональной деятельности, применяет методы математического анализа и
моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
- осознает сущность и значение информации в развитии современного общества;
владеет основными методами, способами и средствами получения, хранения,
переработки информации (ОК-11);
- имеет навыки работы с компьютером как средством управления информацией
(OK-12);
- осваивать методики использования программных средств для решения
практических задач (ПК-2);
- разрабатывать интерфейсы «человек – электронно-вычислительная машина» (ПК3);
- разрабатывать компоненты программных комплексов и баз данных, использовать
современные инструментальные средства и технологии программирования (ПК-5).
1.4.Перечень умений и знаний, установленных ФГОС
После освоения программы настоящей дисциплины студент должен:
знать:
- этапы создания конструкторской документации;
- правила выполнения конструкторской и технологической документации;
- методику конструирования, как процесс создания системы, состоящей из
3
взаимосвязанных подсистем;
уметь:
- ставить и решать схемотехнические задачи, связанные с выбором системы
элементов при заданных требованиях к параметрам (временным, мощностным,
габаритным, надежностным);
создавать
конструкторскую
документацию
с
использованием
специализированных САПР;
- выполнять тепловые, надёжностные и электрические расчёты элементов
конструкции.
Создавать конструкции с учётом требований эргономики и технического дизайна
владеть:
-методами и средствами разработки и оформления технической документации;
- программными средствами автоматизации конструкторской деятельности.
Цели и задачи освоения программы дисциплины
Целями дисциплины являются: формирование у студентов знаний и умений,
необходимых для разработки конструкций устройств вычислительной техники,
использование требований стандартов в области конструирования, понимание
основных технологических процессах создания устройств вычислительной
техники, формирование навыки в использовании систем автоматизированного
проектирования по созданию конструкций устройств вычислительной техники.
Задачами дисциплины являются: изучение этапов проектирования
разработки устройств вычислительной техники и создания конструкторской
документации; изучение методов создания системы теплообмена в конструкциях
устройств
вычислительной
техники;
изучение
методов
обеспечения
электромагнитной
совместимости
устройств
вычислительной
техники;
формирование умения построения надёжностных схем и производства расчета
надёжности проектируемых устройств; изучение основных технологических
процессов, используемых в производстве устройств вычислительной техники;
освоение программных средств автоматизации конструкторской деятельности.
2.
3.
Место дисциплины в структуре ООП
Для изучения дисциплины необходимо освоение содержания дисциплин:
- физики,
- электроники,
- высшей математики,
- математической логики и теории алгоритмов,
- электротехники, электроники и схемотехники.
Знания и умения, приобретаемые студентами после освоения содержания
дисциплины, будут использоваться в: дисциплинах общепрофессионального цикла,
подготовке дипломного проекта.
4
4.
Основная структура дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 ЗЕТ (144уч. часов).
Таблица 1
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия, в том числе:
лекции
лабораторные работы (интерактив)
практические/семинарские занятия
Самостоятельная работа (в том числе
контрольная работа)
Вид промежуточной аттестации
(итогового контроля по дисциплине), в
том числе курсовое проектирование
Трудоемкость в часах
Всего
Курс
4
5
144
36
108
16
2
14
6
2
4
10
10 (4)
119
34
85
Экзамен,
9
-
Экзамен,
9
5.
Содержание дисциплины
5.1. Перечень основных разделов и тем дисциплины
Раздел 1.Конструкторское обеспечение производства ЭВМ
Подраздел 1.1. Основные понятия конструирования
Тема 1.1.1. Процесс проектирования средств вычислительной техники
(СВТ). Основы модульного конструирования, конструкционные системы в
СВТ.(Интерактивное обучение -30 минут)
Этапы проектирования. Иерархия конструктивных модулей. Методы
конструирования.
Подраздел 1.2 Конструкторская документация
Тема 1.2.1. Понятие о ЕСКД. Виды конструкторской документации.
Правила оформления технической документации по ЕСКД
Единая система конструкторской документации, текстовые и графические
документы.
Тема 1.2.2 Схемная документация.(Интерактивное обучение -30 минут)
Виды схем, правила выполнения схем.
Подраздел 1.3 Обеспечение тепловых режимов в конструкциях СВТ.
Тема 1.3.1 Законы теплообмена. Теплофизические параметры элементов
аппаратуры СВТ. Виды теплообмена. (Интерактивное обучение -20 минут)
Внутренние и внешние тепловые параметры полупроводниковых приборов.
Теплопередача. Конвекция. Тепловое излучение. Законы теплообмена.
Тема 1.3.2 Мероприятия по обеспечению нормальных тепловых
режимов в СВТ. Тепловой расчёт.(Интерактивное обучение -20 минут)
Конструктивные элементы систем охлаждения. Виды теплового расчёта.
Тепловые схемы.
Подраздел 1.4 Электромагнитная совместимость электронных
устройств.
Тема 1.4.1 Основные понятия ЭМС. Виды помех. Мероприятия по
обеспечению помехоустойчивости в конструкциях СВТ.
5
Электромагнитная совместимость, конструкторские методы обеспечения
ЭМС. Электрическая длина линии. Длинные и короткие линии.
Тема 1.4.2 Фильтрация и экранирование помех. Заземление.
Параметры фильтрации и экранирования, требования к фильтрам.
Подраздел 1.5
Конструкторско - технологическое обеспечение
надёжности СВТ.
Тема 1.5.1 Основные понятия и показатели надёжности. Кривая жизни
изделия.
Теоретические показатели надёжности. Зависимость интенсивности отказов
от времени работы изделия.
Тема 1.5.2 Практические показатели надёжности, методы повышения
надёжности
Расчёт показателей надёжности, структурная надёжностная схема.
Конструкторско технологические методы повышения надёжности.
Раздел 2 Основы технологии производства ЭВМ.
Подраздел 2.1 Организация технологических процессов
Тема 2.1.1 Понятие ЕСТД. Производственные процессы и их виды.
Основные технологические документы. Основные понятия технологии
производства.
Тема 2.1.2 Виды внешних воздействий на изделия СВТ.
Влияние внешних факторов на работу изделий СВТ, климатические
воздействия, механические воздействия.
Подраздел 2.2 Конструктивные модули первого уровня.
Тема 2.2.1 Основные технологические процессы производства
полупроводниковых интегральных схем.
Методы очистки поверхности. Литография. Обогащение неосновными
носителями: диффузия примесей, ионная имплантация. Эпитаксия. Металлизация.
Оксидирование.
Тема 2.2.2 Типовые технологические процессы изготовления МОП и
биполярных транзисторов.
Процесс изготовления биполярного
транзистора с изоляцией
обратносмещёнными p-n переходами, изопланарный процесс. Р и n канальные
технологические процессы создания МДП транзисторов. Технологический процесс
создания МДП транзисторов с поликремниевыми затворами.
Подраздел 2.3 Конструктивные модули второго уровня.
Тема 2.3.1 Печатные платы, методы получения печатных проводников.
Материалы для производства печатных плат (ПП). Виды ПП. Основные
технологические процессы изготовления ПП. Технологические процессы
изготовления ПП.
Тема 2.3.2 Методы выполнения электрических соединений. Пайка,
сварка, разъёмные и неразъёмные соединения.
Пайка, методы групповой пайки. Сварка, виды сварки. Клеевые соединения.
Соединение накруткой.
5.2 Краткое описание содержания теоретической части разделов и тем
дисциплины
6
Раздел 1.Конструкторское обеспечение производства ЭВМ
Подраздел 1.1. Основные понятия конструирования
Тема 1.1.1. Процесс проектирования средств вычислительной техники
(СВТ).
Основы модульного конструирования, конструкционные системы в
СВТ.
Любое изделие, прежде чем оно будет производиться, должно пройти
определённые стадии, связанные с его разработкой и проектированием.
Результатом разработки является комплект документов, необходимых для
изготовления, настройки, ремонта и эксплуатации изделия именуемый
конструкторской документацией.
Этапы разработки
Техническое задание (ТЗ) устанавливает основное назначение, тактикотехнические характеристики, показатели качества и технико-экономические
требования, предъявляемые к разрабатываемому изделию.
Техническое предложение (ПТ) — совокупность конструкторских
документов, содержащих техническое и технико-экономическое обоснование
целесообразности разработки изделия (на основании анализа технического задания
заказчика и различных вариантов возможной реализации изделия, сравнительной
оценки решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей
разрабатываемого и существующих изделий – аналогов, и результатов патентных
исследований).
Эскизный проект (ЭП) — совокупность конструкторских документов,
содержащих принципиальные конструктивные решения, дающие общее
представление об устройстве и принципе действия изделия, а также данные,
определяющие назначение и основные параметры разрабатываемого изделия.
Технический проект (ТП) — совокупность конструкторских документов,
содержащих окончательные технические решения, дающие полное представление
об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные данные для разработки
рабочей документации.
Разработка рабочей документации - совокупность конструкторских
документов, предназначенных для изготовления и испытания опытного образца
(опытной партии) изделия.
В соответствии с приведенным порядком существуют определенные этапы
разработки ЭВМ,
Этап 1. Разработка ТЗ. Оно должно содержать основное назначение,
технические и тактико-технические характеристики (быстродействие, разрядность,
объем памяти и т. д.), показатели качества и технико-экономические требования,
состав конструкторской документации, а также специальные, конструктивные,
технологические, эксплуатационные требования и требования по надежности.
В ТЗ указываются предприятие-заказчик и предприятие-разработчик ЭВМ.
Взаимоотношения между ними регламентируются договором - юридическим
документом, определяющим взаимоотношения на различных этапах разработки. В
договоре определяются взаимные обязательства сторон, их ответственность в
случае нарушения отдельных его пунктов, сроки выполнения работ и источники
финансирования.
Составление ТЗ обычно ведется заказчиком совместно с разработчикомисполнителем, для того чтобы требования к ЭВМ, зафиксированные в ТЗ, являлись
7
практически выполнимыми.
Этап 2. Техническое предложение. На этих этапах разрабатываются
различные варианты конструктивного и схемного построения проектируемой ЭВМ
и дается сравнительная оценка этих вариантов между собой и с аналогами.
Сюда относится выбор элементной базы, носителя информации, оперативной
и внешней памяти и т. д.
Всем конструкторским документам, выпускаемым на стадии технического
предложения, присваивается литера «П».
Этап 3. Эскизное проектирование. На этом этапе принимаются
принципиальные конструктивные и технические решения, которые отличаются от
технического предложения более детальной проработкой устройств в соответствии
с ТЗ.
Если ЭВМ или другое средство вычислительной техники (СВТ) имеет
относительно несложную структуру, допускается пропустить этап эскизного
проектирования и сразу перейти к техническому проекту. По итогам этапа
составляется пояснительная записка, выполняются функциональные и структурные
схемы, чертежи.
Этап 4. Техническое проектирование. На этом этапе детально
отрабатываются схемные и конструкторские решения, выпускаются чертежи на все
элементы, узлы, блоки и устройства ЭВМ, прорабатываются вопросы защиты от
механических воздействий, доступа при ремонте и контроле, привязки к объекту
установки и т. д., уточняются вопросы технологии и стоимости, особенности
предприятия-изготовителя ЭВМ.
Итог технического проекта — макет ЭВМ, предъявляемый на испытания.
Конструкторской документации, выполненной на этом этапе, присваивается
литера «Т». К конструкторской документации относят: сборочные чертежи всех
устройств с пояснительной запиской, полный комплект электрических схем,
инструкции по эксплуатации, технический отчет.
Итоги этапа оформляются в виде пояснительной записки, и графической
документации. В записке приводятся все основные механические и электрические
расчеты, результаты исследований и испытаний. По результатам технического
проектирования может быть проведена корректировка ТЗ по согласованию с
заказчиком.
Этап 5. Рабочее проектирование.
Состоит из:
- изготовления, настройки и эксплуатации опытного образца.
В процессе изготовления ЭВМ проводятся приемосдаточные испытания
отдельных узлов и блоков, а после изготовления— приемосдаточные испытания
опытного образца. Испытания проводятся в соответствии с техническими
условиями, которые составляются разработчиком на узлы, блоки и изделие в целом
на основе требований ТЗ. Технические условия обязательно входят в состав
конструкторской документации, передаваемой на завод – изготовитель
- выпуска установочной серии. По окончательно отработанной документации
производится массовый (серийный) выпуск ЭВМ.
В конструкции ЭВМ можно выделить пять уровней.
Уровень 0. На этом уровне находится конструктивно неделимый элемент —
интегральная микросхема.
Уровень I. Эти конструктивные единицы не имеют лицевой панели и
8
содержат единицы, десятки, а иногда и сотни микросхем. К первому структурному
уровню относят печатные платы и большие гибридные интегральные схемы
(БГИС).
Уровень II. Этот уровень включает в себя конструктивные единицы,
предназначенные для механического и электрического объединения элементов
уровня I (панель, субблок, блок). Часто конструктивные единицы уровня II
содержат лицевую панель, не имеющую самостоятельного применения (платы
расширения).
Уровень Ш. Уровень Ш может быть реализован в виде стойки или шкафа,
внутренний объем которых заполняется конструктивными единицами уровня II
(системный блок).
Уровень IV. Уровень IV — ЭВМ или система, включающая в свой состав
несколько стоек (шкафов), соединенных кабелем (персональный компьютер).
Разделение конструкции ЭВМ на уровни позволяет:
2) автоматизировать процессы сборки и монтажа;
3) сократить период настройки, так как может быть произведена
предварительная настройка отдельных конструктивных единиц порознь;
4) автоматизировать решение задач размещения элементов и трассировки
межэлементных соединений;
5) унифицировать тестовые стенды аппаратуру для испытания конструктивных единиц;
6) повысить надежность конструктивных единиц.
Число уровней конструктивной иерархии может быть изменено как в сторону
увеличения, так и в сторону уменьшения.
Например, реализация различных устройств машины в виде БИС позволит
исключить использование конструктивных единиц уровня 0, (такая машина будет
компоноваться непосредственно из БИС).
Для всех типов машин уровень иерархии 0 включает в себя интегральные
микросхемы (корпусные или бескорпусные).
Рассмотрим, как приведенные варианты конструктивной иерархии ЭВМ
согласуются с общими принципами конструирования радиоэлектронной
аппаратуры на печатных платах.
В настоящее время получили широкое распространение такие принципы
конструирования, как моносхемный, схемно-узловой, каскадно-узловой,
функционально-узловой и модульный.
Тема 1.2.1. Понятие о ЕСКД. Виды конструкторской документации.
Правила оформления технической документации по ЕСКД.
В настоящее время в России действует Единая система конструкторской
документации (ЕСКД) — система Государственных стандартов, которые
устанавливают правила и положения по порядку разработки, оформления и
обращения технической документации, разрабатываемой и применяемой
предприятиями и организациями России.
Применение ЕСКД при разработке ЭВА обеспечивает:
а) возможность взаимообмена техническими документами между
различными предприятиями внутри страны и между государствами без их
переоформления;
б) сокращение типов и упрощение форм технических документов и
9
графических изображений, снижающих трудоемкость проектирования;
в) механизацию и автоматизацию обработки технических документов и
содержащейся в них информации.
Несоблюдение стандартов ЕСКД запрещается законом.
ЕСКД — своего рода язык конструктора, и его должен знать, и умело
применять разработчик любого вида изделий.
В ЕСКД существуют следующие общие понятия для обозначения
проектируемых устройств и их частей, встречающиеся в конструкторской
документации.
Изделие — любой предмет или набор предметов производства, подлежащих
изготовлению на предприятии. Различают изделия основного производства,
предназначенные для поставки (реализации), и изделия вспомогательного
производства, предназначенные для собственного потребления предприятиемизготовителем.
Деталь — изделие, не имеющее составных частей и изготовленное из
однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных
операций.
Сборочная единица — изделие, составные части которого подлежат
соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями
(свинчиванием, сочленением, клепкой, сваркой, пайкой, склейкой, и т. п.). Пример
сборочных единиц: ячейка, микросхема, разъем и т. д.
Государственные стандарты устанавливают виды и комплектность
конструкторских документов на изделия всех отраслей промышленности.
Конструкторские документы (КД) — документы, в отдельности или в
совокупности определяющие состав и устройство изделия, и содержащие
необходимые данные для его разработки и изготовления, контроля, приемки,
эксплуатации и ремонта.
По форме представления КД разделяют на графические и текстовые.
Графические конструкторские документы — документы, в которых с
помощью установленных стандартом символов и правил поясняются устройство,
принцип действия, состав и связи между отдельными частями изделия. К ним
относят:
чертеж детали — изображение детали и данные, необходимые для ее
изготовления и контроля; сборочный чертеж — изображение изделия и данные,
необходимые для его сборки (изготовления) и контроля;
чертеж общего вида — изображение конструкции изделия, дающее
представление о взаимодействии его основных частей и принципе работы;
теоретический чертеж — геометрическая форма изделия и координаты его
основных частей;
габаритный чертеж — контурное (упрощенное) изображение изделия с
габаритными, установочными и присоединительными размерами;
монтажный чертеж — контурное (упрощенное) изображение изделия,
содержащее данные для его установки (монтажа);
схему — условные изображения или обозначения составных частей изделия
и связей между ними;
спецификацию — состав сборочной единицы, комплекса, комплекта.
Текстовые конструкторские документы — документы, содержащие описание
устройства, принципа действия и эксплуатационных показателей изделия. К ним
10
относят:
-ведомость спецификаций — перечень всех спецификаций составных частей
изделия с указанием их количества;
-пояснительную записку — описание устройства и принципа действия
разработанного изделия, а также обоснование принятых при его разработке
технико-экономических решений;
-технические условия — документ, содержащий потребительские качества
изделия и методы контроля этих показателей. Составляются на изделия,
подлежащие самостоятельной поставке.
-программу и методику испытаний — технические данные, подлежащие
проверке при испытании , а также порядок и методы их контроля;
- эксплуатационные документы: техническое описание, инструкция по
эксплуатации, формуляр, паспорт.
При эксплуатации особо важными считаются технические условия,
инструкция по эксплуатации и паспорт.
Технические условия должны содержать:
Технические требования.
Правила приёмки.
Методы контроля.
Правила транспортировки и хранения.
Условия эксплуатации.
Гарантии поставщика.
Инструкция по эксплуатации содержит:
Меры безопасности.
Порядок установки и подготовки изделия к работе.
Порядок работы с изделием.
Перечень технических параметров, характеризующих исправное состояние
изделия им методы их измерения.
Методы определения и устранения неисправностей.
Указания по техническому обслуживанию и профилактике.
Правила хранения и упаковки.
Паспорт содержит:
Основные технические характеристики.
Состав поставки.
Свидетельство о приёмке
Гарантийные обязательства
Номер конкретного изделия.
По способу выполнения конструкторские документы можно разделить на
проектные и рабочие
Проектные КД – КД, выполненные на этапах технического предложения,
эскизного и технического проектов.
Рабочие КД – КД, выполненные на этапе выпуска рабочей документации.
Ниже в таблице 1 представлены обозначения видов конструкторской
документации.
Тема 1.2.2 Схемная документация.
По виду элементов, входящих в состав изделия, связей между ними и назначения
схемы подразделяют на виды, см. таблица 2 и типы, которые указаны ниже.
11
Виды схем, используемых в СВТ. Таблица 2.
Вид схемы
Обозначение
Электрическая
Э
Пневматическая
П
Кинематическая
К
Оптическая
О
Существуют следующие типы схем.
Структурные схемы определяют основной состав изделия и его
функциональные части, их назначение и взаимосвязи. Структурные схемы
разрабатывают на начальных стадиях проектирования изделия и используют как
для построения схем других типов, так и для общего ознакомления с изделием.
Функциональные схемы поясняют процессы, происходящие в отдельных
функциональных узлах и частях изделия или в изделии в целом. Функциональными
схемами пользуются для построения принципиальных схем, изучения принципа
работы изделия, а также при его наладке, ремонте и эксплуатации.
Принципиальные схемы определяют полный состав элементов и связей
между ними и дают детальное представление о принципе работы изделия. На
основе принципиальных схем разрабатывают такие конструкторские документы,
как схемы соединений (монтажные), чертежи конструктивных элементов, узлов,
устройств.
Схемы соединений показывают соединения составных частей изделия и
определяют провода, жгуты, кабели и другие соединительные изделия, а также
места их присоединения и ввода. Схемы соединения используют при разработке
конструкторских графических и текстовых документов, а также при ремонте и
эксплуатации изделия.
Схемы подключений показывают внешние подключения изделия (или
изделий). Схемы подключений используют при монтаже изделия на месте
эксплуатации, а также при его ремонте.
Общие схемы определяют составные части комплекса и соединения их
между собой на месте эксплуатации.
Схемы расположения устанавливают взаимное расположение отдельных
составных частей комплекса, а при необходимости и соединяющих их жгутов,
проводов, кабелей и т. д. Схемами расположения пользуются при установке и
эксплуатации изделия.
При проектировании схем следует придерживаться правил, изложенных в
соответствующих стандартах ЕСКД. В них устанавливаются условные
графические обозначения элементов схем, требования к вычерчиванию связей
между элементами, правила помещения различных технических данных на условные графические обозначения и т. д. При проектировании ЭВМ используют в
основном электрические схемы.
Правила выполнения электрических схем
На схеме электрической структурной (Э1) показывают все функциональные
части ЭВМ и основные взаимосвязи между ними.
Функциональные части можно изображать условно графически, как указано
в ГОСТе, или в виде прямоугольников. В последнем случае внутри
прямоугольника приводят наименование данной функциональной части. Линии
12
взаимосвязей рекомендуется обозначать стрелками, показывающими направления
хода процесса, движения информации и т. п. При большом числе функциональных
частей рекомендуется взамен обозначений, наименований и типов вводить
порядковые номера, проставляя их слева направо и сверху вниз. В этом случае
расшифровку номеров производят в таблице, помещаемой над основной надписью.
Пример структурной схемы представлен на рис. 1.
Рис 1. Схема электрическая структурная микроархитектуры процессоров шестого
поколения Р6
На схеме электрической функциональной (Э2) показывают функциональные
части устройства, участвующие в процессе, иллюстрируемом схемой, и связи
между этими частями.
Функциональные части изображают, как правило, в виде условных
графических
обозначений
(УГО),
однако
допускается
применение
прямоугольников.
На схеме Э2 должны быть указаны:
для каждой функциональной группы — наименование;
для каждого устройства, изображенного прямоугольником, — наименование,
обозначение или тип;
для каждого устройства, изображенного в виде условного графического
обозначения, — обозначение или тип;
для каждого элемента — позиционное обозначение, присвоенное ему на
принципиальной схеме, или тип. Наименования, обозначения или типы
рекомендуется вписывать в прямоугольники
Допускается на схеме помещать поясняющие надписи, диаграммы или
таблицы, определяющие последовательность прохождения процессов во времени, а
также указывать параметры в характерных точках (форма и величина импульсов,
13
реализуемая логическая функция и т. д.).
Построение функциональной схемы поясняется примером схемы
электрической функциональной процессорного блока микро-ЭВМ, построенного
на МПК БИС серии К580 (рис. 2.).
Рис. 2. Пример построения функциональной схемы процессорного блока микроЭВМ (МПК БИС серии К580)
На схеме электрической принципиальной (ЭЗ) указывают все элементы,
необходимые для построения ЭВМ (или ее отдельного узла), связи между
элементами и элементы, которыми заканчиваются входные и выходные цепи.
Элементы в схеме изображают в виде условных графических обозначений.
Расстояние между двумя соседними линиями условных графических обозначений
должно быть не менее 0,8 мм.
Условные графические обозначения цифровых и цифроаналоговых
функциональных устройств микросхемотехники выполняются по определённым
правилам. Эти правила указаны в соответствующих государственных стандартах.
Условные графические обозначения на схеме ЭЗ располагают так, чтобы
изображения связей между ними были кратчайшими линиями с минимальным
числом пересечений. Линии связей должны быть показаны полностью, однако при
необходимости их допускается обрывать, заканчивая места обрыва стрелками с
обозначением места включения. Для упрощения чертежа схемы можно несколько
электрически не связанных линий связи сливать в общую утолщенную линию, но
при подходе к контактам каждая линия должна быть изображена отдельно, линии
связи при этом необходимо пронумеровать одинаковыми числами на обоих концах
(рис. 3).
Каждый элемент, входящий в схему, должен иметь буквенно-цифровое
позиционное обозначение, составленное из буквенного индекса и порядкового
номера. Порядковые номера элементам присваивают, начиная с единицы сверху
вниз в направлении слева направо, в пределах группы элементов, которым на схеме
дан одинаковый буквенный индекс.
14
Рис. 3. Объединение электрически не связанных линий связи в схеме
Если элемент состоит из нескольких частей, то допускается к его
позиционному обозначению добавлять цифры, присваиваемые каждой части
элемента (например, Э1-1, Э1-2, Э1-3 означают первую, вторую и третью части
элемента 7).
Данные обо всех элементах, включенных в схему, должны быть записаны в
перечень (связь перечня с условными графическими обозначениями элементов
осуществляется через позиционные обозначения). Этот перечень представляет
собой спецификацию и может выполняться как на принципиальной схеме над
штампом, так и на отдельном листе. В отдельных случаях допускается сведения об
элементах располагать на схеме около условных графических обозначений.
Тема 1.3.1 Законы теплообмена. Теплофизические параметры элементов
аппаратуры СВТ.
При конструировании микроэлектронной аппаратуры особое значение
приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и контроля
температуры.
Для решения задачи, обеспечения тепловых режимов конструкций
электронной аппаратуры необходимо решить три вопроса:
Выбор оптимальных тепловых режимов
Теплоизоляция от окружающей среды (или наоборот тесная связь с
окружающей средой).
Эффективное охлаждение.
Тепловые режимы и источники выделения тепла
При конструировании микроэлектронной аппаратуры особое значение
приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и контроля
температуры.
Тепловой режим блока электронной вычислительной аппаратуры
характеризуется совокупностью температур отдельных его точек —
температурным полем.
Если температура в любой из точек блока не выходит за допускаемые
пределы, то такой тепловой режим называется нормальным.
В зависимости от стабильности во времени тепловой режим может быть
стационарным или нестационарным.
Неизменность температурного поля во времени характеризует стационарный
режим.
Источниками выделения тепла в аппаратуре являются радиоэлектронные
элементы, в основном полупроводниковые (транзисторы, диоды, интегральные
схемы.)
15
Рассмотрим основные теплофизические параметры полупроводниковых
приборов. Они делятся на внутренние и внешние.
К внутренним относятся:
Т max- максимальная температура перехода
R п-к – сопротивление переход – корпус
Внутренние определяются конструкцией полупроводникового прибора
Внешние:
R к-с тепловое сопротивление корпус- среда.
Т к температура корпуса.
Внешние параметры зависят от способа крепления прибора, электрического
режима, от окружающей среды.
Определяющим параметром при расчете тепловых режимов является Тmax..
Перенос теплоты от нагретого тела к холодному (или к окружающей среде)
происходит за счет теплопроводности, конвекции и теплового излучения. В общем
случае мощность передаваемого теплового потока определяется по формуле:
P  ST
,где
P- мощность теплового излучения,
- коэффициент теплообмена.
S – площадь теплообмена
Т –разность температур.
Теплопроводность — процесс обмена тепловой энергией между
находящимися в соприкосновении телами или частями тел, обусловленный
взаимодействием молекул и атомов этих тел.
Конвекция — перенос энергии макрочастицами газа или жидкости.
Перенос теплоты излучением происходит за счет превращения тепловой
энергии в энергию излучения (лучистая энергия).
Тема 1.3.2 Мероприятия по обеспечению нормальных тепловых режимов в
СВТ. Тепловой расчёт.
Передача теплоты теплопроводностью
Процесс передачи теплоты теплопроводностью объясняется обменом
кинетической энергией между молекулами вещества и диффузией электронов.
Оба эти явления имеют место в тех случаях, когда температура вещества в
различных точках различна или когда контактируют два тела с различной степенью
нагрева.
Формула мощности передаваемого теплового потока в этом случае примет
вид:
P

ST

, где
- коэффициент теплопроводности,
- толщина плоской стенки, через которую идёт обмен.
Для увеличения эффективности теплообмена путем теплопроводности
необходимо увеличивать площадь теплопроводящей поверхности, уменьшать путь
передачи теплоты (например, толщину стенки), использовать материалы с высокой
теплопроводностью. Для увеличения площади теплового контакта необходимо
применять теплопроводные пасты, прокладки и смазки а также обеспечивать
хороший прижим контактирующих поверхностей.
16
Передача теплоты конвекцией
Здесь различают естественное и принудительное воздушное охлаждение. Эти
способы охлаждения наиболее просты и доступны. Теплота от нагретых корпусов
микросхем передается окружающей атмосфере за счет естественной конвекции.
Эффективность естественного воздушного охлаждения тем больше, чем больше
разность температур между корпусом и окружающей средой и чем больше
площадь поверхности корпуса.
Большое значение также имеет плотность окружающей среды, при
уменьшении которой отвод теплоты от поверхности корпуса уменьшается.
Принцип охлаждения естественной конвекцией основан на том, что слои
воздуха (или другой среды), нагреваясь от выделяющего теплоту корпуса и
обладая вследствие этого меньшей плотностью и большей кинетической энергией,
перемещаются вверх и замещаются более холодными слоями. Чем больше объем
замещаемого воздуха, тем лучше теплообмен. Эффективность теплообмена
естественной конвекцией зависит от места расположения элементов в объеме всей
конструкции изделия. Так, при вертикальном расположении ячеек с микросхемами
воздушному потоку ничего не препятствует, и теплые слои воздуха быстро
заменяются холодными. При горизонтальном расположении плат ячеек смена
слоев воздуха затруднена, вследствие чего нагрев элементов происходит в большей
степени. В худшем положении находятся элементы в верхней части корпуса
машины, так как здесь замещения теплых слоев холодными практически не
происходит и их охлаждение осуществляется только за счет теплоотдачи через
холодную крышку.
Качество естественного воздушного охлаждения зависит от мощности
выделяемой аппаратурой во время работы в виде теплоты, формы и габаритных
размеров корпуса и площади его поверхности.
Улучшение охлаждения можно получить искусственным увеличением
площади поверхности корпуса, например введением специальных ребер —
радиаторов.
Существенное улучшение теплового режима достигается введением
специальных вентиляционных отверстий в дне и крышке корпуса машины. В этом
случае в машину извне поступают холодные слои воздуха, которые вытесняют
теплые слои через отверстия в крышке. При необходимости такие отверстия
следует предусматривать и в боковых стенках корпуса машины, оформляя их в
виде жалюзи. Эффективность использования жалюзи и вентиляционных отверстий
падает с уменьшением давления окружающего воздуха, т. е. с увеличением высоты
над уровнем моря.
При принудительном воздушном охлаждении теплоотвод от внутренних
полостей корпуса ЭВМ осуществляется движущимися потоками воздуха, объем и
скорость движения которых определяются специальными устройствами, как
правило, вентиляторами. При этом охлаждаются элементы, выделяющие теплоту, и
промежуточные теплоносители, например вода, используемая для охлаждения
особо теплонагруженных узлов.
Чем ниже температура охлаждающего воздуха и выше скорость его
движения, тем эффективнее воздушное принудительное охлаждение.
17
Передача тепла через тепловое излучение.
Этот вид теплообмена в нормальных условиях эксплуатации
имеет
незначительную долю в общем тепловом потоке. Теплообмен осуществляется с
помощью электромагнитного инфракрасного излучения непосредственно от
предающего тела к принимающему.
Зависит от черноты поверхности передающего и принимающего тела.
Коэффициент черноты поверхности определяется цветом окраски, материалом и
методом обработки поверхности физического тела.
Тепловое излучение играет существенную роль в общем теплообмене при
эксплуатации аппаратуры при пониженном давлении, когда
уменьшается
плотность теплоносителя естественной и принудительной конвекции.
Тепловая модель и принципы теплового расчёта
Для расчёта тепловых режимов и выявления критических точек
температурного поля на каждый конструктивный узел
аппаратуры строят
тепловую схему или тепловую модель.
Элементы и параметры тепловых схем имеют аналогию в теории
электрических цепей и схем. Сравнение законов электрических и тепловых цепей
приведено в таблице 3.
Таблица 3.
Аналогия законов в электрических и тепловых цепях.
Электрические цепи
Тепловые цепи
Формула
Закон
Формула
Закон
U
T
закон Ома
Закон Фурье
I
P
R
n
 Ii  0
R
1й закон Кирхгофа
1
n
P 0
Без названия
1
n
U   IiRi
1
I  Ci dU / dt
2й закон Кирхгофа
n
T   PiRi
Без названия
1
Уравнение
P  CdT / dt
нестационарности
электрического тока
при заряде
конденсатора
При выполнении тепловых схем элементы изображаются в виде условных
графических обозначений имеющих аналогию с элементами в электрических
схемах. Условные графические обозначения элементов тепловых цепей
представлены в таблице 4.
18
Условные графические обозначения элементов тепловых схем. Таблица 4.
Электрические схемы
Тепловые схемы
Единица
Единица
Обозначени
Обозначен
Величина
измерени
Величина
измерен
е
ие
я
ия
I источник
тока
U
Источник
напряжения
A
В
R
Ом
Сопротивлен
ие
С
Ф
электрическа
я ёмкость
Нулевой
потенциал,
земля
U=0
P источник
теплового
потока
Вт
Т
Источник
температуры
К
R
Тепловое
сопротивлен
ие
С тепловая
ёмкость
К/Вт
Дж/К
Окружающая T=Tсред
среда
ы
Поскольку реальные конструкции устройств вычислительной техники
представляют собой объёмные трехмерные объекты, то на каждую конструкцию
теоретически должны составляться три тепловые схемы. На практике основные
тепловые потоки распространяются в одно или двухмерном пространстве, поэтому
ограничиваются одной или двумя схемами.
Тема 1.4.1 Основные понятия ЭМС. Виды помех. Мероприятия по
обеспечению помехоустойчивости в конструкциях СВТ
Электромагнитная совместимость (ЭМС) – электрического устройства это
его способность функционировать совместно и одновременно с другими
электрическими средствами в условиях возможного влияния непреднамеренных
электромагнитных помех, не создавая при этом недопустимых помех другим
устройствам.
Электромагнитные помехи – электрический и магнитный процесс созданный
любым источником в пространстве и проводящей среде, который нежелательно
влияет или может влиять на полезный сигнал при его приёме, передаче. Помехой
для вычислительного устройства является внешнее или внутреннее воздействие,
приводящее к искажению дискретной информации во время ее хранения,
преобразования, обработки или передачи.
Электромагнитная помеха в пространстве называется индуктивной, в
проводящей среде – кондуктивной.
Для обеспечения ЭМС при проектировании устройств СВТ применяют
следующие основные конструктивные мероприятия:
19
экранирование
фильтрацию помех
заземление
Кроме этого при создании конструкции особое внимание необходимо
уделить выполнению монтажных соединений и источников вторичного питания.
Схемно-конструкторские аспекты возникновения помех и методы
борьбы с помехами.
Электромонтаж и паразитные связи.
Подавляющее большинство случаев возникновения кондуктивных помех
обусловлены неправильным электромонтажом. Поэтому при разбивке схемы на
конструктивные модули электромонтаж необходимо рассматривать как одну из
составных частей устройства. На рис.4 представлена модель полного
сопротивления проводника с учётом паразитных параметров. Наличие собственной
индуктивности
Ls и ёмкости Cp проводника приводит к возникновению
индуктивных и емкостных паразитных связей. Влияние близкорасположенных
проводников, по которым протекают большие импульсные токи, приводят к
возникновению паразитной ЭДС или паразитной разности потенциалов Vs.
Рис 4. Модель сосредоточенного импеданса (полного сопротивления) проводника
Проводники, катушки индуктивности с разомкнутым сердечником и
трансформаторы воспринимают и генерируют электромагнитные поля, что создаёт
перекрёстные помехи или электромагнитные наводки в цифровых ИС. Под
перекрестными помехами понимают паразитную связь между схемами,
возникающую из-за близкого расположения проводников на значительном
протяжении. Индуктивная связь особенно нежелательна, когда чувствительные
схемы располагаются вблизи схем, по которым течет большой ток.
Емкостная паразитная связь возникает в тех случаях, когда проводники и
иные незаземленные участки воспринимают или генерируют электрические поля,
например, печатные платы без встроенного слоя земли. Паразитная связь может
вызвать паразитные колебания в цифровых ИС. Задержки распространяющегося и
отраженного сигнала в проводниках могут привести к паразитным колебаниям в
цепях источника питания. Для снижения помех такого рода применяют
шунтирующие конденсаторы.
20
Параметры цифровых ИС и их влияние на помехоустойчивость
1. Параметры, характеризующие помехи.
- Fr – max частота спектра помех обычно составляет диапазон от
до 1 ГГц.
4 Мгц
dV
dt
2. Скорость изменения выходного напряжения при переключении ИС
В/сек.
Слишком большое значение этого параметра хотя и способствует
повышению быстродействия устройства, но зачастую приводит к возникновению
перекрестных помех. Для уменьшения помех необходимо ограничить число
одновременно переключаемых сигналов, применяя схемные и конструкторские
решения по разбиению устройства на модули и разработке системы
синхронизации.
Если система имеет длинные кабели, желательно использовать
дифференциальные передающие и принимающие устройства, соединённые
симметричными линиями связи.
3. Lc длина несогласуемой линии связи. Длина проводника соединяющего
выход ИС с входом другого элемента, не требующая установки согласующих
элементов при монтаже.
Печатный монтаж
При размещении интегральных схем (ИС) и других элементов необходимо
следить, чтобы чувствительные схемы (узлы) располагались дальше от схем, в
которых велика вероятность возникновения помех. На многослойных платах ИС
необходимо размещать параллельно большой оси платы.
Шунтирующие конденсаторы цепи развязки должны находиться на
минимальном удалении (< 37 мм) от компонентов, нуждающихся в защите.
Разводка питающих и заземляющих цепей на двусторонних печатных платах
выполняется с помощью компланарных линий передачи или параллельных шин.
Многослойные печатные платы при их создании используются специальные
сплошные слой заземления и слой питания. Можно распределить слои питания
между несколькими источниками. Для более надёжной защиты от помех
рекомендуются верхние и нижние слои печатные платы делать заземляющими и
питающими, а сигнальные слои располагать в середине.
При проектировании разводки цепей синхронизации необходимо соблюдать
следующие правила:
- располагать проводники вблизи цифровой земли;
- по мере возможности вести пару прямого и обратного проводов
параллельно;
- обратные провода соединять с прямыми вблизи интегральных схем (ИС).
Проектируя разводку сигнальных цепей, необходимо адресную шину
располагать в одном направлении, шины данных и управления в другом
перпендикулярном.
Ниже перечислены общие правила разработки топологии печатной платы с
точки зрения электромагнитной совместимости.
1. Насколько возможно расширить цепи питания и заземления.
2. Если есть свободное место на плате, заполнить его и соединить между
собой заземления ИС.
21
3. Заполнить свободные участки медной фольгой и заземлить эту
поверхность с помощью проводников или сквозных отверстий.
4. Изгибы проводников делать скруглёнными.
5. Каждый входной сигнал, поступающий на плату, следует подавать только
на одну ИС, желательно на согласующий буфер.
6. Сигналы, выходящие из платы, не должны поступать на вход схем,
находящихся на плате.
Контактные соединения и проводной монтаж
Основное требование к контактным соединениям это пренебрежительно
малое сопротивление.
Наилучшие контакты получаются при сплошном однородном соединении
двух металлов: сваркой, высокотемпературной пайкой, пайкой при которой длина
шва превышает длину перекрытия проводников.
Нельзя использовать контакты на самонарезающих винтах, винтовой резьбе,
шарнирах ввиду их низкой надёжности.
При проведении проводного монтажа необходимо выполнять следующие
правила:
1. Обратные провода питания постоянного тока не следует использовать в
качестве заземляющих корпус проводов и обратных сигнальных проводов.
2. Каждый обратный сигнальный провод должен приходиться не более чем
на 9 сигнальных проводов.
3. Сигнальный кабель должен содержать провода сигнальной земли
переключателя и органов управления, которые нельзя подключать к корпусной
земле.
4. Длина одиночных сигнальных проводников 0.15 м.
5. Кабели питания постоянного тока должны располагаться вблизи корпуса
подальше от отверстий, кабелей питания источников переменного тока.
6. Все внешние сигнальные кабели, подсоединённые к быстродействующим
устройствам нужно экранировать.
7. Сигнальные кабели следует монтировать вблизи корпуса, подальше от
отверстий, трансформаторов и кабелей питания.
Разбиение и компоновка узлов
1. Располагать маломощные схемы поблизости от источников сигналов.
2. Схемы с повышенной мощностью выполнять вблизи нагрузок.
3. Добиваться, чтобы проводники были как можно короче.
Использовать максимально короткие контуры прохождения тока.
При проектировании устройства необходимо особое внимание обратить на
разработку системы синхронизации.
Источники вторичного питания
Для питания электрической схемы устройства может понадобиться целый
ряд напряжений различных номиналов. Эти напряжения вырабатываются
источниками вторичного электропитания, которые делятся на два класса.
Первый класс составляют линейные или параметрические источники.
Стабилизация и регулирование выходного напряжения осуществляется за
счёт постоянства параметров полупроводниковых приборов в схеме (стабилитрон).
При малых выходных токах возможна генерация н.ч. паразитных сигналов
пилообразной формы. При подключении к ним через длинные кабели плохо
согласованных нагрузок могут самовозбуждаться. В шинах питания довольно
22
часто возникают выбросы напряжений большой амплитуды.
Один из способов защиты СВТ от выбросов и в сетках питания состоит в
использовании устройств защиты (сетевых фильтров).
Сетевые фильтры с помощью реактивных и полупроводниковых элементов
препятствуют прохождению сигнала помехи из электрической сети в источник
питания устройства. Такие фильтры выполняются:
на основе варисторов - резисторов с нелинейной вольтамперной
характеристикой (ВАХ) с U пробоя 9-1000 время срабатывания > 300нс, I нагрузки
= 1-1000А.);
на основе стабилитронов с U пробоя = 1-700В, I нагрузки = 1-500А, время
срабатывания < 1-25нс.
Второй класс источников питания составляют импульсные. Большинство
применяемых в современной электронной аппаратуре блоков питания являются
импульсными на основе преобразователя (синтезатора) напряжения. Такие
источники генерируют помехи в диапазоне частоты до 30 МГц.
Для повышения помехоустойчивости импульсных источников вторичного
питания применяется следующее:
1. Защита от помех в первичной сети путём использования схемы сетевого
фильтра (см. рис.5).
Рис. 5. Схема входного сетевого фильтра вторичного блока питания.
Э лементы схемы имеют следующее назначение и номиналы:
L1, L2 блокируют высокочастотные помехи 1,8-40 мГн;
С2, С3 защита от высокочастотных помех =0,1-2мкФ;
С4, С5 от высокочастотных синфазных помех;
R1 – нагрузочный для разрядки С2 и С3.
Необходимо отметить, что упрощенная схема фильтра может не содержать
индуктивностей.
2. Улучшение разрядки между входом и выходом ИП. Применение
оптической развязки.
3. Рекомендуется использование отдельных источников питания
высокочастотных и низкочастотных схем.
Тема 1.4.2 Фильтрация и экранирование помех. Заземление. Фильтрация
Основным средством ослабления кондуктивных помех являются элементы и
схемы, называемые фильтрами.
Ослабление помех при фильтрации достигается
23
шунтированием помех на землю;
рассеиванием сигнала помехи (превращения его энергии в тепловую);
Отражением помех обратно к источнику.
Действия фильтра характеризуется следующими параметрами.
Kф 
Uф
U

Iф
I
Sф  20 lg 1 / K ф
,
где Кф– коэффициент фильтрации,
Uф,Iф–напряжение, ток в электрической цепи с фильтром,
U,I –напряжение, ток в электрической цепи без фильтра,
Sa - эффективность фильтрации
Основным показателем служит эффективность фильтрации, которая
определяется вносимым затуханием фильтра.
Схемы фильтров
В зависимости от вида действия шумоподавляющие фильтры можно
разделить на: низкочастотные и резонансные.
Фильтры низкой частоты - пропускают низкие частоты; отражают
высокочастотные сигналы.
Резонансные фильтры – для подавления высокочастотных помех (в узкой
полосе частот).
По виду схемы фильтров можно разделить на: Т- образные П – образные Гобразные. На рис.6. представлены наиболее распространенные виды схем
шумоподавляющих фильтров.
рис. 6. Схемы шумоподавляющих фильтров: а)- С – фильтр, б)- L- фильтр, в)
– Г- образный фильтр, г)- П – образный, д)- Т- образный .
Фильтр является элементом схемы, и наряду с
требованиями по
качественному выполнению основных функций к фильтрам предъявляются
дополнительные требования:
1) Обеспечение заданной эффективности фильтрации с учётом внутреннего
24
сопротивления
2) Ограничение допустимого падения постоянного или переменного
напряжения на фильтре при максимальном токе нагрузки.
3) Обеспечение допустимых нелинейных искажений питающего напряжения,
определяющих требования к линейности фильтра.
4) Элементы фильтра должны выбираться с учётом номинальных токов и
напряжений в электрической цепи, а также возможных возникающих в ней бросков
этих величин.
Заземление
Система заземления – электрическая цепь, обладающая свойством сохранять
минимальный потенциал, являющимся уровнем отсчёта в конкретной аппаратуре.
Требования, предъявляемые к заземлению при конструировании:
Минимизация общего полного сопротивления, позволяющая исключить
образование помех, превышающих допустимый уровень за счёт протекания токов
отдельных узлов ИС, через общие участки земли.
Обеспечение сигнальных и силовых линий возврата.
Отсутствие замкнутых контуров систем заземления, чувствительных к
воздействиям магнитных полей.
Защита людей и устройства от грозовых разрядов.
Защита людей и оборудования от перенапряжения, вызванного
неисправностью в цепях источников питания.
Снятие статических зарядов.
Для улучшения качества заземления (свойства поддерживать общее
сопротивление системы заземления на низком уровне) необходимо ограничивать
размер системы.
Довольно часто систему заземления разделяют на три независимые цепи.
Цепь возврата для сигнальных токов (низкой амплитуды)
Цепь возврата для постоянных токов (силовая земля)
Цепь возврата переменных силовых токов (корпусная земля) – защитное
заземление.
Каждая из этих цепей имеет на схеме своё обозначение
см.
рис. 7.
рис.7. Условное обозначение цепей заземления.
Структурная схема системы заземления устройства по одноточечной
конфигурации представлена на рис. 8.
25
рис.8. Одноточечная система заземления.
Такой подход позволяет оптимизировать каждую цепь. Эти три цепи
сходятся в одной точке.
Экранирование
Одно из эффективных средств защиты аппаратуры от действия мощного
источника излучения ослабление индуктивных помех в пределах замкнутого
пространства. Такие конструкции называются экранами. Механизм экранирования
состоит в следующем: электромагнитные волны испытывают многократное
отражение от поверхности экрана и в конце концов рассеиваются или
превращаются в тепло. Для более эффективного действия экраны необходимо
заземлять.
Действия экрана характеризуется следующими параметрами.
K э
Hэ
H S  20 lg 1/ K э ,
где Кэ – коэффициент экранирования,
НЭ -напряженность поля в какой-либо точке защищённого пространства при
наличии экрана
Н – напряженность поля без экрана в этой же точке.
эффективность экранирования.
Основным показателем служит эффективность экранирования.
Эффективность экранирования при f>100кГц должна лежать в пределах 3060 дБ, что и наблюдается на практике в большинстве случаев для однослойных
экранов. При увеличении количества слоёв экрана увеличивается эффективность
экранирования до S=120 дБ для 2х слоев.
При высокочастотных индуктивных помехах (f помехи > 100КГц)
эффективность экранирования существенно уменьшается при наличии зазоров и
отверстий в экране. Толщина экрана оказывает существенное влияние на
эффективность только для низкочастотных магнитных полей.
Помимо обеспечения заданной эффективности к экранам могут
предъявляться следующие дополнительные конструктивные требования:
1. Экран является внешним кожухом аппаратуры и согласно общему ТЗ при
его конструировании должны учитываться требования нормального теплового
режима, защиты от внешних воздействий.
При экранировании элементов и отдельных узлов устройства экран должен
располагаться в конструкции устройства так, чтобы обеспечивать нормальный
тепловой режим узлов и ремонтопригодность.
В общем случае экран, толщина которого обеспечивает необходимую
механическую прочность, обеспечивает защиту от всех видов электромагнитного
излучения, кроме магнитных полей низкой частоты. Эффективную защиту
электромагнитного излучения дают медные и алюминиевые экраны. Для
магнитных полей с f=10кГц–1МГц применяют стальные экраны. Для
экранирования, трансформаторов, катушек, кабелей выпускаются алюминиевые и
медные ленты.
Проблема экранирования литых пластмассовых корпусов решается с
помощью одного из нижеперечисленных действий:
1.
Введения в пластмассу проводящих наполнителей, что даёт
26
эффективность экранирования в пределах 30-80 дБ. При этом ухудшаются
механические свойства пластмассы, и затрудняется создание однородного
цветового покрытия.
2. Нанесение на пластмассовый корпус проводящих покрытий. С помощью
вакуумного напыления наносят слой алюминия
толщиной
несколько
микрометров.
Тема 1.5.1 Основные понятия и показатели надёжности. Кривая жизни
изделия.
С точки зрения надежности можно выделить следующие эксплуатационные
характеристики ЭВМ и других средств вычислительной техник: безотказность,
ремонтопригодность, сохраняемость, долговечность.
Безотказностью
называют
свойство
изделия
сохранять
свою
работоспособность в течение некоторой наработки без вынужденных перерывов.
Показатели безотказности непосредственно характеризуют надежность изделия.
Ремонтопригодность — свойство ЭВМ, заключающееся в приспособлении к
предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем
проведения технического обслуживания и ремонтов.
Долговечность — свойство ЭВМ сохранять работоспособность до
предельного состояния с необходимыми перерывами для технического
обслуживания и ремонтов.
Сохраняемость — свойство изделия сохранять эксплуатационные показатели
в течение заданного срока хранения и после него.
Все эти качественные показатели количественно характеризуются
различными функциями и числовыми параметрами. Правильный выбор
количественных показателей надежности ЭВМ позволяет объективно сравнивать
технические характеристики различных вычислительных систем как на этапе
проектирования, так и на этапе эксплуатации (правильный выбор системы
элементов, технические обоснования работы по эксплуатации и ремонту ЭВМ.
Количественные показатели надежности
Процесс возникновения отказов в ЭВМ обычно описывается сложными
вероятностными законами. Поэтому в инженерной практике для оценки
надежности ЭВМ вводят количественные характеристики, основанные на
обработке экспериментальных данных.
Рассмотрим оценку надежности неремонтируемых систем. Приведенные
характеристики верны и для ремонтируемых систем, если их рассматривать для
случая до первого отказа.
Пусть на испытания поставлена партия, содержащая N годных изделий. В
процессе испытаний некоторая их часть, например N1, выходит из строя. Тогда к
моменту времени ti остается N(ti) изделий. Очевидно, что
N(ti) = N – N1
Отношение
Q*(ti) = N1 / N
характеризует частоту отказов (статистическую) в данном опыте и является
оценкой теоретической вероятности выхода из строя изделия, строгое выражение
для которой выглядит следующим образом:
27
Q(t i )  lim
N 
N1
N
P(t i )  lim
N  N1
N
N 
Величина P(ti), равная
P(ti) = 1 – Q(ti) =
называется
теоретической вероятностью безотказной работы и характеризует вероятность
того, что к моменту ti не произойдет отказа. Напротив, величина Q(ti) равна
вероятности того, что к моменту ti произойдет отказ.
Статистическая вероятность безотказной работы находится при конечных
значениях N:
P
N  N1
N
Вероятность безотказной работы системы может быть определена и для
произвольного интервала времени (t1; t2), т. е. не с момента включения системы,
как рассматривалось ранее. В этом случае говорят об условной вероятности
безотказной работы P(t1; t2) в период (t1; t2), имея в виду, что в момент времени t1
(в начале наработки) система находится в работоспособном состоянии.
Условная вероятность P(t1; t2) определяется отношением
P(t1; t2) =P(t2)/ P(t1),
где P(t1) и P(t2) — соответственно значения функций надежности в начале
(t1) и конце (t2) наработки.
Вероятность безотказной работы системы является основным теоретическим
показателем надёжности.
В качестве показателя надежности неремонтируемых систем используют
также плотность распределения наработки до отказа f(t).
Плотностью распределения наработки до отказа f(f) называют производную
по времени от функции отказа Q(t):
f (t ) 
dQ(t )
dP(t )

dt
dt
Отсюда видно, что величина f(t)dt характеризует безусловную вероятность
того, что система обязательно откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии,
что в момент времени t она находилась в работоспособном состоянии.
Наиболее распространенным количественным показателем надежности
является интенсивность отказов. Причины этого распространения будут указаны
ниже.
Интенсивность отказов (t) представляет условную вероятность
возникновения отказа в системе в некоторый момент времени наработки при
условии, что до этого момента отказов в системе не было.
Величина (t) определяется отношением
 (t )  f (t ) / P(t ) 
dQ
P'
dn / dt


P(t )dt
P N  N1
Очевидно, что величина (t)dt характеризует условную вероятность того, что
система откажет в интервале времени (t; t+dt) при условии, что в момент времени t
она находилась в работоспособном состоянии.
Вероятность безотказной работы связана с величинами (t) и f(t)
следующими выражениями:
28

P(t )    f (t )dt
t
 t

P(t )  exp    (t )dt 
 0

Зная одну из характеристик надежности P(t), (t) или f(t), можно найти две
другие.
Если необходимо оценить условную вероятность, можно воспользоваться
следующим выражением:
 t2

P(t1 ; t 2 )  exp    (t )dt 
 t1

8.4. Графическая зависимость интенсивности отказов от времени (кривая
жизни изделия)
Правильно понимать физическую природу и сущность отказов очень важно
для обоснованной оценки надежности технических устройств. В практике
эксплуатации последних различают три характерных типа отказов: приработочные,
внезапные и отказы из-за износа. Они различаются физической природой,
способами предупреждения и устранения и проявляются в различные периоды
эксплуатации технических устройств.
Отказы удобно характеризовать «кривой жизни» изделия, которая
иллюстрирует зависимость интенсивности происходящих в нем отказов (t) от
времени t. Такая идеализированная кривая для ЭВА приведена на рисунке 9.
Рис. 9. Кривая жизни изделия
Она характеризуется тремя явно выраженными периодами: приработки I
нормальной эксплуатации II и износа (физического старения) III.
Приработочные отказы наблюдаются в первый период (0 - t1) эксплуатации
ЭВМ. Они возникают, когда часть элементов, входящих в состав ЭВА, имеют
заводской брак, либо низкий уровень надежности. Эти отказы могут быть также
следствием некачественного выполнения сборочных операций и ошибок в
монтаже.
Физический смысл приработочных отказов может быть объяснен тем, что
29
электрические и механические нагрузки, приходящиеся на компоненты ЭВМ в
приработочный период, превосходят их электрическую и механическую прочность.
Поскольку продолжительность периода приработки ЭВМ определяется в основном
интенсивностью отказов входящих в ее состав некачественных элементов, то
продолжительность безотказной работы таких элементов обычно сравнительно
низка. Поэтому выявить и заменить их удается за сравнительно короткое время.
В зависимости от назначения ЭВМ период приработки может продолжаться
от нескольких до сотен часов. Период приработки составляет обычно доли и
единицы процента от времени нормальной эксплуатации ЭВА во втором периоде.
Период приработки считают завершенным, когда интенсивность отказов
ЭВА приближается к минимально достижимой (для данной конструкции) величине
min. Это происходит в точке t1 (т. е. по истечении времени 0—t1).
Приработочные отказы могут быть следствием конструкторских (например,
неудачная компоновка), технологических (некачественное выполнение сборки) и
эксплуатационных (нарушение режимов приработки) ошибок. При изготовлении
изделий повышенной надежности с целью снижения влияния приработочных
отказов на период эксплуатации производитель выполняет продолжительное
тестирование изделия. Тестирование производится в «тяжёлых» условиях. На
этом этапе выбраковываются и заменяются «слабые» с точки зрения надёжности
элементы.
Второй период (t1—t2) эксплуатации ЭВМ характеризуется внезапными
отказами. Эти отказы возникают неожиданно вследствие действия ряда случайных
факторов, и предупредить их приближение практически не представляется
возможным, тем более, что к этому времени в ЭВА остаются только полноценные
компоненты. В результате статистическиъх исследования замечено, что такие
отказы
подчиняются определенным закономерностям. Интенсивность их
появления в течение достаточно большого промежутка времени практически
неизменна в однотипных классах ЭВМ.
При быстром количественном изменении (обычно — резком увеличении)
какого-либо параметра в компонентах ЭВМ происходят качественные изменения, в
результате которых они утрачивают полностью или частично свои свойства,
необходимые для нормального функционирования аппаратуры.
Период нормальной эксплуатации ЭВМ характеризуется тем, что
интенсивность ее отказов в интервале времени (t1—t2) минимальна и имеет почти
постоянное значение min  const.
Величина min тем меньше, а интервал (t1 – t2) тем больше, чем совершеннее
конструкция ЭВМ, выше качество ее изготовления и более тщательно соблюдены
режимы эксплуатации. Период нормальной эксплуатации ЭВМ и СВТ
общетехнического назначения может продолжаться десятки тысяч часов. И может
даже превышать время морального старения аппаратуры.
Продолжительность периода II ограничивается для ЭВМ износом и
естественным старением ее элементов. Это происходит в точке t2 (по истечении
времени t1—t2). Внезапные отказы могут быть следствием технологических
(например, при использовании компонентов ЭВА со скрытыми и не
обнаруженными в период приработки неисправностями) и эксплуатационных
(например, из-за перегрузок) ошибок.
Отказы в результате износа и отказы, вызванные старением материалов,
30
наблюдаются в третий период (t1—t2) эксплуатации ЭВА. Они в большинстве
случаев являются закономерным следствием постепенного износа и естественного
старения используемых в аппаратуре материалов и элементов
Средний срок службы компонента до износа — величина более
определенная, чем время возникновения приработочных и внезапных отказов. Их
появление можно предвидеть на основании опытных данных, полученных в
результате испытаний конкретной аппаратуры.
В результате постепенного и сравнительно медленного количественного
изменения некоторого параметра компонента ЭВМ этот параметр выходит за
пределы установленного допуска, вследствие чего компонент полностью или
частично утрачивает свои свойства, необходимые для нормального
функционирования аппаратуры. При износе происходит частичное разрушение
материалов, при старении — изменение их внутренних физико-химических
свойств. Последние носят, как правило, необратимый характер
Завершается период износа III (а вместе с ним прекращается и эксплуатация
аппаратуры), когда интенсивность отказов ЭВА приблизится к максимально
допустимой  для данной конструкции. Это происходит в точке t3 (по истечении
времени t2—t3)
Тема 1.5.2 Практические показатели надёжности, методы повышения
надёжности
Из графика распределения интенсивности во времени видно, что в период
нормальной эксплуатации интенсивность практически не меняется, т.е.
представляет собой константу,  (t)  const   .
С учётом этого формулы для расчета основных количественных показателей
надежности невосстанавливаемых изделий примут следующий вид.

1
Tс   P(t )dt 

P(t )et f (t ) et

,
где P(t) - вероятность безотказной работы, f(t) - плотность распределения
наработки до отказа (частота отказов), Tc- среднее время наработки до отказа.
Если первые два показателя зависят от времени работы изделия и
представляют собой теоретическую оценку надежности, то последний показатель
среднего времени наработки до отказа от времени не зависит. Тс служит основным
практическим показателем надежности изделия и указывается в его технических
характеристиках. По своей сути Тс является математическим ожиданием времени
работы изделия до отказа.
Среднее время наработки до отказа не следует путать со сроком гарантии
предоставляемым предприятием на изделие. Величина этого срока часто носит
рекламный характер, хотя для серьёзного производителя не должна превышать Тс.
Структурная надежность любого радиоэлектронного аппарата, в том числе и
ЭВМ,— его результирующая надежность при известной структурной схеме и
известных значениях надежности всех элементов, составляющих структурную
схему.
При этом под элементами понимаются как интегральные микросхемы,
резисторы, конденсаторы и т. п., выполняющие определенные функции и
31
включенные в общую электрическую схему ЭВМ, так и элементы
вспомогательные, не входящие в структурную схему ЭВМ: соединения паяные,
разъемные, элементы крепления и т. д.
Надежность указанных элементов достаточно подробно изложена в
специальной литературе. При дальнейшем рассмотрении вопросов надежности
ЭВМ будем исходить из того, что надежность элементов, составляющих
структурную (электрическую) схему ЭВМ, задана однозначно.
Количественные характеристики структурной
надежности ЭВМ
Для нахождения количественных показателей структурной надёжности
составляют структурную схему ЭВМ и указывают элементы устройства (блоки,
узлы) и связи между ними.
Затем производят анализ схемы и выделяют те ее элементы и связи, которые
определяют выполнение основной функции данного устройства.
Далее из выделенных основных элементов и связей составляют
функциональную (надежностную) схему, причем в ней выделяют элементы не по
конструктивному, а по функциональному признаку с таким расчетом, чтобы
каждому функциональному элементу обеспечивалась независимость, т. е. чтобы
отказ одного функционального элемента не вызывал изменения вероятности
появления отказа у другого — соседнего функционального элемента.
Поэтому при составлении отдельных надежностных схем (устройств узлов,
блоков) иногда следует объединять те конструктивные элементы, отказы которых
взаимосвязаны, но не влияют на отказы других элементов.
Определение количественных показателей надежности ЭВМ с помощью
структурных схем дает возможность решать вопросы выбора наиболее надежных
функциональных элементов, узлов, блоков, из которых состоит ЭВМ, наиболее
надежных конструкций ТЭЗ, панелей, рам, стоек, пультов, тумб, рационального
порядка эксплуатации, профилактики и ремонта ЭВМ, состава и количества ЗИП.
При
построении
надежностных
структурных
схем
используют
последовательное, параллельное и последовательно-параллельное включение
элементов. На рисунке 10 приведены надёжностные структурные схемы для
каждого из видов включения.
Рис. 10. Схемы последовательного (а), параллельного (б) и параллельнопоследовательного (в) включения элементов в надежностной структурной схеме
32
При последовательном включении элементов (рис. 10 а) для надежной
работы схемы необходима работа всех функциональных элементов.
Тогда вероятность безотказной работы схемы будет равна произведению
вероятностей безотказной работы всех функциональных элементов:
n
P(t )  P1 (t ) P2 (t )...Pn (t )   Pi (t )
,
где n – число элементов надежностной схемы.
Для
случая
экпоненциального
распределения
наработки
отказа Pi (t )  exp  i t  среднее время наработки на отказ составит:
i 1
T
до
1
n

i
.
Для другого простейшего случая построения структурной схемы
параллельного соединения элементов (рис. 11 б) вероятности отказов для каждого
из элементов, входящих в схему,
Qi(t) = 1 – Pi(t).
Отказ всей схемы будет иметь место тогда, когда откажут все элементы, т.е.
i 1
m
 1  P (t )
i
Q(t)=q1(t) q2(t)... Qm(t) = i 1
где т-число параллельно соединенных элементов.
При этом вероятность безотказной работы всей схемы
m
P(t )  1  Q(t )  1   1  Pi (t )
i 1
Для экспоненциального распределения наработки до отказа среднее время
T
1

1
1
 ... 
2
m

наработки на отказ составит
Необходимо отметить, что параллельное соединение элементов в
надежностной структурной схеме означает резервирование элементов в
параллельной цепочке с кратностью n = m-1, где m – общее число элементов
вместе с основным.
В общем случае при смешанном параллельно-последовательном соединении
элементов (рис. 11 в) следует найти вероятность безотказной работы для каждой из
цепочек параллельно включенных элементов, а затем для всей схемы. Для схемы,
приведенной на рис. 2, в, результирующая вероятность безотказной работы.
n 
m

P(t )   1   1  Pij (t ) 
i 1 
j 1

Методы повышения надежности
Методы повышения надежности можно разделить на структурные и
информационные.
Структурные методы повышения надежности
Абсолютной надежности технических устройств добиться принципиально
невозможно, а максимально повысить показатели их надежности реально. Это
является важнейшей научной и технической задачей. Повышение уровня
надежности ЭВА достигается, прежде всего, устранением причин, вызывающих в
33
ней отказы, т.е. сведением к минимуму (или полной ликвидации) конструкторских,
технологических и эксплуатационных ошибок.
Значительного повышения надежности ЭВМ достигают созданием новых
элементов.
Однако повышением надежности элементов рассмотренными выше
методами не удается в настоящее время полностью решить проблему построения
надежных ЭВМ, что вызвано значительным опережением роста сложности вновь
разрабатываемых ЭВМ, большими затратами при получении элементов высокой
надежности, а также существованием элементов, надежность которых довольно
низка и трудно поддается повышению (устройства ввода и вывода информации и
др.).
Поэтому один из путей повышения надежности ЭВМ — введение схемной
избыточности.
Разработка методов синтеза ЭВМ, обладающих заданной надежностью,
сводится к нахождению оптимальной избыточности.
Один из видов схемной избыточности — структурное резервирование,
предполагающее включение в схему устройства дополнительных элементов,
которые позволяют скомпенсировать отказы отдельных частей устройств и
обеспечить его надежную работу. Но резервирование эффективно только в том
случае, когда неисправности являются статистически независимыми.
В ЭВМ ввод структурной избыточности производят по следующей схеме:
входные сигналы поступают на n логических схем, причем n> k, где k — число
логических схем в нерезервированной схеме. Выходные сигналы всех n логических
схем далее подают на решающий элемент, который согласно функции решения по
этим сигналам определяет значения выходных сигналов всей схемы. Функция
решения — правило отображения входных состояний решающего элемента на
множество его выходных состояний.
Простейший и наиболее распространенный вид функции решения —«закон
большинства», или мажоритарный закон.
В таком случае решающий элемент обычно называют мажоритарным
элементом. Работа мажоритарного элемента состоит в следующем: на входы
элемента поступают двоичные сигналы от нечетного количества идентичных
элементов; выходной сигнал элемента принимает значение, равное значению,
которое принимает большинство входных сигналов.
Наиболее широко используют мажоритарные элементы, работающие по
закону «2 из З». В этих элементах значение выходного сигнала равно значению
двух одинаковых входных сигналов.
По способу включения резервных элементов функциональных устройств
различают три вида резервирования: постоянное, замещением и скользящее.
При постоянном резервировании предполагают, что любой отказавший
элемент или узел не влияет на выходные сигналы и поэтому его прямого
обнаружения не производится.
Постоянное
резервирование
наиболее
распространено
в
невосстанавливаемых устройствах. Кроме того, оно является единственно
возможным в устройствах, где недопустим даже кратковременный перерыв в
работе.
Постоянное резервирование вводится или с помощью решающего блока, или
в виде однотипных элементов или блоков, включенных последовательно или
34
параллельно .
В качестве решающего блока можно использовать мажоритарные элементы с
постоянными или переменными весами, кодирующие — декодирующие устройства
и схемы из логических элементов И, ИЛИ, НЕ.
При резервировании замещением предполагается обнаружение отказавшего
элемента или узла и подключения исправного. Замещение может происходить либо
автоматически, либо вручную.
Резервирование замещением имеет следующие достоинства:
для многих схем при включении резервного оборудования не требуется
дополнительно регулировать выходные параметры, вследствие того, что
электрические режимы в схеме не меняются,
резервная аппаратура до момента включения в работу обычно обесточена,
что повышает общую надежность системы за счет сохранения ресурса
электронных устройств,
экономится энергия источников питания,
имеется возможность использования одного резервного элемента на
несколько рабочих.
Вследствие сложности аппаратуры для автоматического включения резерва
резервирование замещением целесообразно применять к крупным блокам и
отдельным функциональным частям ЭВМ.
При скользящем резервировании любой резервный элемент может замещать
любой основной элемент.
Для осуществления этого резервирования необходимо иметь устройство,
которое автоматически находит неисправный элемент и подключает вместо него
резервный.
Достоинство такого резервирования в том, что при идеальном
автоматическом устройстве будет наибольший выигрыш в надежности по
сравнению с другими методами резервирования.
Однако осуществление скользящего резервирования возможно лишь при
однотипности элементов.
Информационные методы повышения надежности ЭВМ
Основное применение информационные методы находят в вычислительной
технике. Реализуются они в виде избыточных или корректирующих кодов.
Назначение этих кодов состоит в том, чтобы обнаруживать и исправлять
ошибки в ЭВМ без прерывания их работы.
Корректирующие коды предусматривают введение в машину некоторой
избыточности.
Различают временную и пространственную избыточность. Временная
избыточность характеризуется неоднократным решением задачи. Полученные
результаты сравниваются, и если они совпадают, то делается вывод, о том, что
задача решена правильно. Временная избыточность вводится в ЭВМ программным
путем.
Пространственная избыточность характеризуется удлинением кодов чисел, в
которые вводят дополнительно контрольные разряды.
Суть обнаружения и исправления ошибок с помощью корректирующих
кодов состоит в следующем. В конечном множестве А выходных двоичных слов
устройства выделяют подмножество В разрешенных кодовых слов (т. е. В  А).
35
Эти слова могут появиться лишь в том случае, если все арифметические и
логические операции и операции по передаче данных, выполняемые ЭВМ,
осуществляются правильно.
Тогда
очевидно,
что
подмножество
А – В = С(A \ B = С)
будет
характеризовать запрещенные кодовые слова. Последние имеют место только при
наличии ошибок.
Далее все слова на выходе устройства анализируют. Например, если слово bi
относится к подмножеству разрешенных кодовых слов (т. е. b  B), то это означает,
что процесс идет нормально; слово bi считают правильным и его можно
декодировать.
Если на выходе устройства появляется запрещенное кодовое слово сi(ci  C),
то это свидетельствует о наличии ошибки, и она фиксируется.
Для устранения обнаруженных таким образом ошибок все запрещенные
кодовые слова разбиваются на группы. Каждой такой группе ставится в
соответствие только одно разрешенное кодовое слово. При декодировании
запрещенные кодовые слова сi автоматически заменяются разрешенными
кодовыми словами из той группы, к которой принадлежит ci.
Таким образом, корректирующие коды в состоянии не только обнаруживать
ошибки, но и устранять их.
Подраздел 1.7 Технический дизайн и эргономика в создании
конструкции
Технический дизайн и эргономическое конструирование является важнейшей
частью всего процесса проектирования конструкции СВТ. В художественном
конструировании рассматриваются следующие вопросы:
1. Эргономика и технологичность конструкции оборудования.
2. Эстетическое оформление технологического оборудования
3. Эргономика и технологичность конструкций оборудования
Эргономические
требования
к
оборудованию
определяются
физиологическими,
антропометрическими,
биомеханическими
и
психологическими характеристиками человека и установлены для оптимизации его
деятельности в системе "человек - машина".
Учёт эргономических требований при проектировании и конструировании
изделий обеспечивает повышение эффективности и качества труда, удобства
эксплуатации и обслуживания, улучшение условий труда, экономию затрат
физической и нервнопсихической энергии работающего максимально возможным
приспособлением изделий к его функциональным возможностям. При этом
достигается значительный социально-экономический эффект, выражающийся в
повышении привлекательности и содержательности труда, сохранении здоровья и
поддержании
высокой
работоспособности
человека,
сокращении
непроизводительных и потерь рабочего времени, уменьшении затрат на
предоставление льгот и компенсаций за работу в неблагоприятных условиях.
В инженерной практике известны далеко не единичные случаи, когда
использование новых производительных машин и устройств не давало должного
эффекта из-за несоответствия их конструкции функциональным особенностям
человека. Следовательно, эффективность машины определяется не только такими
её характеристиками, как КПД, производительность, трудоёмкость изготовления,
36
надёжность и др., но и тем, насколько легко и точно оператор сможет управлять
машиной.
Современная техника требует от рабочего не столько значительных усилий,
сколько точности реакций, продуманности действий, быстрых решений и,
следовательно, значительного нервного напряжения. В связи с этим рациональную
конструкцию изделия нельзя создать, не зная эргономики, изучающей
функциональные возможности человека в трудовых процессах с целью создания
для него таких условий труда, которые обеспечивали бы не только
высокопроизводительный и безопасный труд, но и необходимые удобства в работе,
т. Е. Сохранение его сил, здоровья, работоспособности.
Эргономические показатели качества изделий определяет ГОСТ 16035 - 81:
- антропометрические требования устанавливают соответствие изделия
антропометрическим параметрам человека; последние определяют размерное
построение и форму тела человека (оператора);
- физиологические требования определяют соответствие изделия
физиологическим свойствам человека (например, биомеханическим, силовым,
скоростным);
- психофизиологические требования устанавливают соответствие изделия
особенностям функционирования органов чувств (рецепторов) человека-оператора;
- психологические требования определяют соответствие изделия
психологическим особенностям человека (особенности восприятия, памяти и др.);
- гигиенические нормативы направлены на создание безопасных условий
труда и предупреждение профессиональных заболевай, ориентированы на
ограничение вредного воздействия факторов производственной среды.
Эргономический подход к гигиеническому нормированию должен
предусматривать создание оптимальных условий для трудовой деятельности
учетом комплексного воздействия факторов производственной среды (пыль, газ,
вибрации, шум, температура, ионизирующие излучения, освещенность и др.);
гигиеническое нормирование должно быть ориентировано не только на ПДК
(ПДУ), но и на создание оптимальных условий производственной среды.
ПДК (ПДУ) -- это предельно допустимые концентрации (уровни) вредных
факторов рабочей зоны, которые при ежедневной работе в течение 8 ч, но не более
41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не вызывают у работающих
заболеваний или, отклонений в здоровье, обнаруживаемых о процессе работы или
в отдельные сроки жизни настоящего и будущих поколений. Необходимо
учитывать, что дозы и уровни вредных факторов, значительно меньшие
допускаемых, в ряде случаев при их комбинированном действии становятся
опасными для здоровья работающих. Гигиенические требования органически
связаны с другими эргономическими требованиями и их оптимальными
показателями являются необходимые условия эффективности эргономических
рекомендаций, используемых при конструировании изделий и организации
рабочих мест.
Проектирование совершенных систем "человек - машина" и "человекмашина-среда" невозможно без учета всех связей изделия с человеком и средой.
Уже на начальных стадиях проектирования тщательно рассматривают не только
конструкторские особенности будущей системы, но и конкретные действия
человека в этой системе. Такой анализ постоянно напоминает конструктору о
функциях изделия, а эргономисту позволяет уточнить ряд положений
37
эргономического характера. Эргономист помогает выбрать из ряда
конструкторских решений оптимальный в эргономическом отношении вариант.
Модели и макеты такого варианта не только служат для проверки композиционных
решений, но и позволяют экспериментально проверить соответствие новой
конструкции требованиям эргономики.
Таким образом, эргономика теснейшим образом взаимосвязана с
художественным конструированием, так как критериями её анализа являются:
оптимальное приспособление конструкции к психофизиологическим особенностям
человека; возможность с помощью конструктивных решений воздействовать на
раскрытие человеческих способностей и их стимулирование для оптимизации
деятельности человека; возможность создания условий для возникновения
положительных эмоций и оптимального жизненного тонуса у оператора в процессе
взаимодействия человека и техники.
Распределение функций между человеком и машиной, т. е. определение
операций, которые должны выполнять человек или машина для обеспечения
требуемой эффективности системы человек - машина, является важной задачей
сравнительного анализа возможностей человека и машины.
Машине целесообразно передать функции, требующие: приложения большой
физической силы малосодержательного и монотонного характера; большой
трудоёмкости; быстрой реакции на сигналы; высокой степени плавности и
точности приложения усилий; приёма, переработки и хранения больших объёмов
информации; принятия однотипных постоянно повторяющихся решений.
За человеком следует оставлять функции, требующие: решения задач
планирования, программирования и контроля трудового процесса; принятия
решений в непредвиденных ситуациях; более высокой, чем машина,
чувствительности к различным сигналам; многообразия ответных реакций;
приспособления к изменяющимся условиям.
Реализацию эргономических требований при проектировании и
конструировании изделий обеспечивают соблюдением соответствующих
стандартов на системы человек - машина и системы безопасности труда (СБТ),
санитарных норм и правил, стандартов на термины и номенклатуру
эргономических показателей качества и других нормативных материалов.
При создании нового изделия эргономическая проработка необходима на
всех стадиях разработки конструкторской документации и технического задания.
На стадии разработки технического задания:
- определяют назначения изделия, выполняют анализ аналогов и прототипов
по их эргономическим характеристикам;
- проводят эргономический анализ трудовой деятельности человека и
ориентировочное распределение функций в реальной системе человек - машина;
- разрабатывают ориентировочные эргономические требования на основе
нормативных документов, справочных эргономических материалов.
На стадии разработки технического проекта:
- окончательно распределяют функции в системе человек - машина;
- определяют окончательные эргономические требования и их реализацию в
проекте;
оценивают
степень
реализации
эргономических
требований
аналитическими методами и методами моделирования.
На стадии разработки рабочих чертежей и испытаний:
38
-выполняют анализ и дают эргономическую характеристику (оценку)
созданного изделия для определения степени его соответствия эргономическим
требованиям;
составляют предложения по совершенствованию (доводке) изделия и
соответствующей корректировке технической документации.
Требования антропометрии и биомеханики. При конструировании изделия
необходимо предусматривать его соответствие антропометрическим данным и
биомеханическим характеристикам человека на основе учёта: габаритных размеров
и размеров отдельных частей тела человека в рабочих позах и положениях;
динамики изменений размеров тела при перемещении его в пространстве
(динамические размеры); диапазона движений в суставах.
Используя антропометрические данные, при конструировании изделий
следует определить контингент людей, для которых будет предназначено изделие;
выбрать антропометрический признак (группу признаков), который является
основным для определения размеров изделия, с учётом соответствующей поправки
на вид одежды и обуви.
Рабочие зоны и закономерности рабочих движений. Все элементы рабочего
места (размеры сиденья, рабочей поверхности, подставки для ног, органов
управления и др.), которые непосредственно соприкасаются с телом человека,
должны по возможности точно соответствовать его антропометрическим данным.
Допускается округление размеров до 1 см. При расчёте минимальных пространств,
занимаемых телом человека в разных положениях и позах, допускается округление
на 2 - 3 см. Рабочее место оператора, взаимное расположение элементов рабочего
места регламентированы ГОСТ 21958 - 76, ГОСТ 22269 - 76.
Эстетическое оформление технологического оборудования
Технологичность и художественное конструирование. В практике
художественного конструирования во многих случаях требования технической
эстетики связаны с некоторыми правилами создания технологических конструкций
изделий, например:
требованием
технологичности
являются
уменьшение
длины
кинематической цепи изделия, так как механизм с короткой кинематической
цепью, как правило, менее трудоёмок в изготовлении; вместе с тем уменьшение
длины кинематической цепи, замена механических устройств электрическими,
рычажного управления - кнопочным и др. облегчают задачу конструктора при
нахождении рациональной эстетической формы конструкции;
- работая над эстетическим видом изделия, очень важно правильно подобрать
пропорции основных сборочных единиц и всей конструкции, что удовлетворяет
требованиям эстетики и улучшает технологичность конструкции; большое
значение для улучшения эстетического вида изделия в целом имеет внешний вид
таких деталей, как рукоятки и маховички управления, пусковые кнопки,
сигнальные лампочки, фирменные таблички и др.: формы этих деталей должны
соответствовать всей конструкции изделия и быть технологичными в
изготовлении;
особое внимание должно быть уделено таким декоративным деталям, как кожухи и
крышки, умелое использование которых позволяет решить сложные вопросы
увязки эстетики изделий с их технологичностью.
Опыт показывает, что совместная работа технологов и конструкторов -
39
разработчиков изделий с художниками конструкторских бюро способствует
повышению технологичности изделий, улучшению их внешнего вида с учётом
требований технической эстетики.
Техническая эстетика при конструировании и эксплуатации изделий. Для
того, чтобы придать машиностроительному изделию красивый внешний вид,
необходимо правильно использовать принципы художественного творчества с
учётом требований технической эстетики.
Требования технической эстетики представляют собой комплекс социально экономических, функционально - конструктивных, эргономических и эстетических
требований, выполнение которых должно обеспечить создание общественно
целесообразных, технически совершенных, экономичных, удобных в эксплуатации
и эстетически выразительных изделий.
Требования технической эстетики реализуются методами художественного
конструирования, которое направлено на достижение: единства эстетического и
функционально - технического уровня изделия; композиционного единства и
гармоничности форм; декоративности и гармоничности цветофактурного решения
поверхностей с учётом особенностей тактильного восприятия; высокого качества
отработки наружных элементов изделия.
Кроме общих требований технической эстетики к определённым видам
изделий должны быть предъявлены конкретные требования в соответствии с
особенностями формы, условий эксплуатации и обслуживания, а также условий
среды (производственное помещение, открытая площадка и др.). К изделиям,
имеющим посты оператора, следует предъявлять дополнительные требования,
характеризующие композиционные решения.
Требования технической эстетики учитывают при разработке технического
задания на изделие; техническое задание устанавливает также состав
художественно - конструкторского проекта.
К оцениваемым эстетическим показателям относятся: современность
художественно - конструкторского решения изделия; функционально конструктивная
выразительность
формы;
гармоническая
целостность
композиционной структуры; совершенство производственного исполнения
элементов внешней формы.
Показатель современности художественно - конструкторского решения
изделия характеризует:
степень и специфические особенности проявления основных принципов
художественно - конструкторского решения изделия;
степень соответствия художественно - конструкторского решения изделия
современному уровню техники;
степень применения в художественно - конструкторском решении изделия
прогрессивных конструкций и материалов;
степень соответствия стилевого решения изделия прогрессивным тенденциям
формообразования;
степень оригинальности и новизны художественно - конструкторского
решения;
степень согласованности формы изделия с современным подходом к
решению функционально - предметной среды.
Показатель функционально - конструктивной выразительности формы
характеризует:
40
функциональную целесообразность художественно - конструкторского
решения каждого элемента формы;
образную информативность формы, свидетельствующую как о прямом
назначении изделия, так и о его месте и роли в окружающей функциональной
среде;
выраженность в форме изделия его конструктивных закономерностей
(тектоничность).
Показатель гармонической целостности композиционной структуры
характеризует:
гармоничность пропорций, масштабную соразмерность частей и целого,
ритмичность композиционных элементов изделия;
целостность пластического решения формы, стилевое единство всех его
элементов;
значение в объемно-пространственной структуре изделия основных и
второстепенных элементов, их соподчинённость и группирование вокруг
композиционного центра;
гармоничность цветового и фактурного решения, их соответствие общему
композиционному замыслу;
согласованность графических и декоративных элементов с композиционным
решением изделия.
Показатель совершенства производственного исполнения элементов внешней
формы характеризует:
стабильность товарного вида изделия в процессе эксплуатации, устойчивость
элементов формы к повреждениям;
степень отделки поверхности изделия (их механической обработки,
нанесение защитно-декоративных покрытий и др.);
тщательность исполнения швов, стыков, соединений, сопряжений,
креплений;
четкость исполнения графических и декоративных элементов.
Рекомендации и примеры цветовой отделки изделий. Традиционный подход
к выбору покрытий, как завершающему этапу конструкторской разработки далеко
не всегда может обеспечить требования технической эстетики, что следует из
определения покрытий как органической части формы и образующего ее
материала. В связи с этим покрытия и способы их нанесения следует выбирать в
процессе конструирования отдельных деталей, сборочных единиц и изделия в
целом с учетом основных эксплуатационных и технологических факторов.
Например, для получения надежного в эксплуатации стеклоэмалевого покрытия
необходимо избегать сварных швов и острых ребер в конструкции сборочных
единиц (деталей). При необходимости электролитического хромирования детали ее
конфигурацию следует конструировать с учетом низкой рассеивающей
способности электролитов хромирования.
В случаях, когда поверхность детали несет доминирующую функциональную
нагрузку (отражатели, шкалы, номограммы и др.) покрытие в известной мере
определяет выбор конструкционного материала.
Сложный комплекс факторов, которые необходимо учитывать при выборе
покрытия, исключает какие-либо универсальные рекомендации. Однако, общие
сведения могут способствовать оптимальному решению конкретных задач. Схема
иллюстрирует необходимость одновременного учета основных функционально-
41
эксплуатационных требований, предъявляемых к деталям конструкции, и
технологических характеристик последних
Цвет играет важную роль в оптимальном режиме функционирования
системы машина - человек - среда; значение цвета проявляется в цветовой отделке
изделий машиностроения.
Цветовое решение должно удовлетворять ряду требований, основными из
которых являются: информационно-смысловое значение (информация о функциях
изделия, сигнализация о состоянии производственной среды с точки зрения
безопасности, обозначение органов управления и др.); рекламная эффективность
(товарный вид изделия); эмоционально-эстетическое воздействие на человека.
Положительное эмоционально-эстетическое воздействие цветового решения
на человека обеспечивают: созданием комфортных психофизических условий
функционирования человеческого организма в ходе трудового процесса;
формированием обстановки, способствующей творческому подходу человека к
своей работе.
Цветовой фактор психофизического комфорта обеспечивает: оптимальные
условия восприятия человеком формы предметов (машины, станка, инструментов и
т.д.); оптимальные условия восприятия пространства, в котором происходит
трудовой процесс; частичную компенсацию неблагоприятных воздействий
производственного процесса (снижение зрительной утомляемости и т.д.);
улучшение санитарно-гигиенических условий; повышение степени безопасности
производственных процессов.
Гармония цветовых соотношений изделий и интерьера (по цветовому тону,
насыщенности цвета) способствует выполнению следующих основных требований
технической
эстетики
к
изделию:
современность
художественно
конструкторского
решения;
функциональная
выразительность
формы;
гармоническая
целостность
композиционной
структуры
(особенности
архитектурной композиции и цветовое решение интерьера, характер естественного
и искусственного освещения при эксплуатации изделия); красота изделия.
При выборе рационального цветового решения изделий определенного вида
следует проанализировать комплекс конкретных условий и факторов: характер
технологического производственного процесса, выполняемого изделием;
функциональное назначение изделия; размеры изделия; условия безопасности
процессов труда.
Цвет влияет на качественное восприятие готового изделия. Темные цвета,
создающие эффект тяжести, можно использовать для окраски фундаментов,
несущих конструкций, в некоторых случаях станин; такие цвета как бы
подчеркивают их назначение, выполняемую функцию. Однако изделия, полностью
окрашенные в темные тона, имеют неприглядный вид, поглощают много света и
создают фон, затрудняющий выявление очертаний изделий при выполнении,
например, точных работ. Такие яркие цвета, как желтый, красный, оранжевый,
вызывают впечатление напряженности, тревоги. В то же время они способствуют
появлению ощущения теплоты. Светлые тона используют для уменьшения
впечатления массивности. Если, например, часть машины нависает над головой
работника и утомляет его своей громоздкостью, то можно создать впечатление
мнимого удаления окрашиванием её в бледно-голубой цвет.
Многие специалисты рекомендуют окрашивать оборудование в светло-серые,
светло-зелёные, светло-голубые тона, так как они обладают высоким
42
коэффициентом отражения (около 60 %). Кроме того, изделия должны быть
окрашены таким образом, чтобы создавался цветовой контраст между их
отдельными частями. Такой метод окрашивания в значительной мере способствует
выявлению чёткости разделения деталей и, следовательно, способствует
повышению производительности труда. Необходимо, однако, избегать слишком
резких цветовых контрастов, так как они утомительны для глаз. Особенно важно не
окрашивать большие площади в яркие цвета. Ярко окрашенные поверхности могут
вызвать явление ослепления (из-за чего нарушается чёткость видения), утомление
глаз и общее физическое недомогание.
Внутренние поверхности корпусных деталей целесообразно окрашивать в
тёмные тона, так как это облегчает сборку, контроль и регулирование механизма,
собранного в корпусе. Внутренние части панелей, люков нужно окрашивать в
яркие цвета для того, чтобы они отчётливо выделялись в открытом положении.
Цветовое обозначение приспособлений и некоторых инструментов облегчает
обслуживание сложных машин и установок.
Подвижные устройства (транспортная техника, краны, автопогрузчики,
автомашины, электрокары и др.) должны чётко выделяться на общем фоне. Для
привлечения к ним максимального внимания необходимо окрашивать их,
например, в ярко-оранжевые цвета, на передние и задние части машины наносить
чёрные и жёлтые полосы. Число цветов должно быть минимальным. Во многих
случаях два или три цвета обеспечивают необходимый эффект.
Особое значение приобретает цвет при использовании его в сигнальных
системах. Применение цвета для любых кодирующих систем должно совпадать с
его укоренившимся значением. Очевидно, красный цвет, обозначающий опасность
или «стоп», не следует применять для других целей. Экономное употребление
предупреждающего цвета для окрашивания лишь наиболее опасных мест, более
эффективно, чем применение его для общего покрытия.
Учёт психологического воздействия различных цветов играет важную роль в
технике безопасности. Использование цвета в качестве кода-носителя информации
об опасности может быть дополнительным средством предупреждения несчастных
случаев.
Рациональное использование сигнальных цветов во многих случаях может
значительно повысить надёжность работы человека, уменьшить число ошибок в
опасных случаях. Окраску изделий лакокрасочными материалами сигнальных
цветов и нанесение (установку) знаков безопасности должно выполнять
предприятие-изготовитель изделия в соответствии с требованиями ГОСТ 12.4.026 80 (СТ СЭВ 1412 - 78).
Выбирая покрытие для отдельных элементов конструкции и изделия в целом,
наряду с рассмотренными технологическими особенностями их изготовления
нельзя не учитывать специфики конкретного производства.
Тема 2.1.1 Понятие ЕСТД. Производственные процессы и их виды.
Состав и правила выполнения технологической документации определяется
ГОСТ 3.1001—81 Единой системой технологической документации (ЕСТД). Она
представляет собой комплекс государственных стандартов и руководящих
нормативных документов, устанавливающих взаимосвязанные правила и
положения по порядку разработки, комплектации, оформления и обращения
43
технологической документации, применяемой при изготовлении и ремонте
изделий (контроль, испытания и перемещения).
Основное назначение ЕСТД — в установлении во всех организациях и на
всех предприятиях единых правил выполнения, оформления, комплектации и
обращения технологической документации в зависимости от типа и характера
производства.
Состав документов зависит от стадии разработки ТП, типа и характера
производства. В условиях серийного и массового производства используются
документы (ГОСТ 3.1102—81): карта эскизов (КЭ); технологическая инструкция
(ТИ); карты маршрутная (МК), технологического процесса (КТП), операционная
(ОК), типового (группового) ТП (КТТП), типовой (групповой) операции (КТО),
комплектовочная (КК), технико-нормировочная (ТНК), наладки (КН); ведомость
технологических маршрутов (ВТМ); ведомость деталей (сборочных единиц) к
типовому (групповому) ТП (операции) (ВТП, ВТО),
Наиболее часто используется следующая документация.
Маршрутная карта — является обязательным документом, предназначена для
маршрутного описания технологического процесса или полного указания состава
технологической операции, включая контроль и перемещения по всем операциям в
технологической последовательности с указанием данных об оборудовании,
технологической оснастке, материальных нормативах и трудовых затратах.
Допускается взамен МК использовать соответствующую карту ТП.
Карта ТП — для операционного описания ТП изготовления или ремонта
изделия (составных частей) в технологической последовательности по всем
операциям одного вида формообразования, обработки, сборки или ремонта, с
указанием переходов, технологических режимов и данных о средствах
технологического оснащения, материальных и трудовых затратах.
Операционная карта — имеет описание ТО с указанием переходов, режимов
обработки и данных о средствах технологического оснащения. Она используется
на рабочем месте.
Карта типового ТП — для описания типового ТП изготовления или ремонта
деталей и сборочных единиц, а карта типовой ТО — для описания типовой ТО.
Правила оформления технологических документов приведены в ГОСТ
3.1104—81. В соответствии с этими правилами операции следует нумеровать
числами ряда арифметической прогрессии (5, 10, 15 и т. д.). Переходы следует
нумеровать числами натурального ряда (1, 2, 3 и так далее). Для обозначения
позиций допускается применять римские цифры. Формы МК и правила ее
оформления установлены ГОСТ 3.1118—82, а общие требования к оформлению
комплектов документов на единичные процессы изложены в ГОСТ 3.1119—83.
Требования к безопасности труда излагают перед описанием ТО или ТИ.
Технологическая подготовка производства
ТПП представляет собой совокупность мероприятий, обеспечивающих
готовность предприятия к выпуску изделия (наличие всей конструкторской,
технологической документации и средств технологического оснащения,
необходимых для осуществления заданного объема выпуска продукции с
установленными технико-экономическими показателями).
Организация и управление технологической подготовкой производства
ведется в соответствии с Единой системой технологической подготовки
44
производства (ЕСТПП), предусматривающей широкое применение прогрессивных
типовых ТП, стандартной технологической оснастки и оборудования средств
механизации и автоматизации производственных процессов, инженернотехнических и управленческих работ.
Основное назначение ЕСТПП заключается в решении задач обеспечения
технологичности конструкции изделия; разработки ТП; проектирования и
изготовления средств технологического оснащения, организации и управления
технологической подготовки производства (ТПП).
Важнейшей составляющей ТПП является проектирование ТП. Оно требует
больших затрат времени и труда технолога (решение комплексных сложных задач,
а именно: вычислительные, составление текста технологической документации,
вычерчивание эскизов).
Проектирование ТП традиционным методом зависит от опыта и навыка
технолога, наличия справочного материала и так далее. Создание
автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП)
позволяет повысить производительность и качество проектных работ, сократить
сроки ТПП.
Технологичность элементов и деталей ЭВМ
Технологичность является одной из важнейших характеристик изделия.
Под технологичностью изделия понимают совокупность свойств
конструкции изделия, определяющих ее приспособленность к достижению
оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных
показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ. Различают
производственную и эксплуатационную технологичности.
Производственная технологичность конструкции изделия проявляется в
сокращении затрат средств и времени на конструкторско-технологическую
подготовку производства и процессы изготовления, включая контроль и
испытания.
Эксплуатационная технологичность проявляется в сокращении затрат
времени и средств на техническое обслуживание и ремонт изделия".
Технологичность конструкции оценивается качественно и количественно.
Качественная оценка характеризует технологичность конструкции
обобщенно на основании опыта исполнителя. Такая оценка — на стадии
проектирования, когда осуществляется выбор лучшего конструктивного решения и
не требуется определения степени технологичности сравниваемых вариантов.
Качественная оценка предшествует количественной.
Количественная оценка осуществляется с помощью системы базовых
показателей (трудоемкость изготовления изделия, технологическая себестоимость).
Базовыми показателями технологичности производства ЭВМ являются
коэффициенты: использования микросхем и микросборок в блоке (1),
автоматизации и механизации монтажа (1), автоматизации и механизации
подготовки электрорадиоэлементов (0,75), автоматизации и механизации операций
контроля и настройки (0,5), повторяемости электрорадиоэлементов (0,3),
применяемости электрорадиоэлементов (0,18), прогрессивности формообразования
деталей (0,11).
При анализе результатов следует учитывать сложность изделия и уровень
основного производства. Конструкция детали должна отвечать следующим
45
требованиям: состоять из стандартных и унифицированных деталей; изготовляться
из стандартных заготовок; иметь оптимальные точность и шероховатость
поверхностей; обеспечивать применение стандартных и типовых процессов ее
изготовления, одновременного изготовления нескольких деталей и прогрессивных
процессов формообразования: литья под давлением, литья по выплавляемым
моделям, прессования пластмасс, металлокерамики, холодной штамповки.
Производственный технологические процессы, их структура, виды и типы
организации
Производственный процесс (ПРП) – это совокупность всех действий и
орудий производства, необходимых на предприятии для производства и ли ремонта
ЭВМ.
Технологический процесс (ТП)- часть ПРП содержит целенаправленные
действия по изменению и (или) определению состава предмета труда.
Технологическая операция (ТО)- законченная часть ТП, выполняется
непрерывно на 1-ом рабочем месте над 1-им или несколькими одновременно
изготовленными или собираемыми изделиями.
В ТП входит ряд вспомогательных операций: транспортные, маркировочные
и другие.
В свою очередь ТО делят на установы, переходы, приемы. Установ - часть
операции, выполненная
при не изменении закреплений обрабатывающей
заготовок или собираемой сборочной единицы.
Позиция-часть ТО, выполняемая при не изменении положении инструмента
относительно
детали. Переход - законченная
часть ТО, характеризуется
постоянством режимов применяемых инструментов и поверхностно оборудуемых
и собираемых при сборке - это законченная совокупность действий человека,
применяемых при выполнении перехода с первым целевым назначением.
Современное производство разделяют на виды: единичное, серийное, массовое.
Единичное производство характеризуется широтой номенклатуры и малым
объемом выпуска (шт. или 10шт).
Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим
объемом выпуска изделий, непрерывно изготавливаемых в точном
продолжительном времени. Серийное производство характеризуется ограниченной
номенклатурой изделий, изготавливаемых периодично повторными партиями и
сравнительно большим объемом выпуска.
Различают малое, среднее, крупное серийное производство.
Технологическая подготовка производства, ЕСТПП
ТПП - совокупность современных методов организации, управления и
решаемых технологических задач на основе комплексной стандартизации,
автоматизации экономико-математической модели и средств технологического
оснащения. Это ТПП базируется на ЕСТПП (есть стандарт).
Основные задачи ТПП:
Отработка конструкции на технологичность.
Прогнозирования развития технологии.
Стандартизация ТП
Группирование ТП
Технологическое оснащение
Оценка уровня технологии
46
Организация и управление ТПП
Разработка ТП
Современные ТПП должна быть обязательно автоматизированной, те
составлять часть САПР.
Технология С-А-сложный динамическая система, в которой введен комплекс
объединения : оборудование, средства контроля и управления, вспомогательные и
транспортные средства, обработка инструментов, объекты производства, люди,
управляющие этой системой и осуществляющие процесс ( с позиции системного
подхода). Она состоит из нескольких подсистем . Есть цель и показатели качества
(эффективность, надежность и помехозащищенность).
Проектирование и оптимизация ТС
Цель оптимизации: выделение из множества вариантов технологичных схем
1 или нескольких оптимальных по некоторым критериям качества. Оценка может
весить по глобальному критерию с локальным коэффициентом или по локальному
критерию (принцип Паретто,1 микросхема лучше другой, если соответствующие
ей критерии качества имеют значения не хуже критериев качества сравниваемой
ТС, причем хотя бы 1 из них должен быть лучше соответствующих критериев
качества других ТС).
Обычно оптимизации ТС разделяются на
2 подзадачи: оптимизация
подсистемы ТС, затем оптимизация ТС в целом.
Так как элементы ТС можно описать математически, то и оптимизацию
можно проводить аналитическими методами (метод множителей Лагранжа,
геометрическое пр-е, линейное и нелинейное программирование). При усложнении
математической модели необходимо перейти к численно приближенным методам
(наискорейший спуск, метод Ньютона, покоординатного спуска, симплекс метод и
тому подобное).
Тема 2.1.2 Виды внешних воздействий на изделия СВТ.
Внешние факторы, влияющие на работоспособность ЭА
Условия эксплуатации ЭА и систем характеризуются комплексом параметров, называемых внешними воздействующими факторами, которые имеют
различную физико-химическую природу и изменяются в весьма широких пределах.
Эти факторы принято разделять на климатические, механические и радиационные.
К климатическим факторам относят: изменение температуры и влажности
окружающей среды; тепловой удар; изменение атмосферного давления; наличие
движущихся потоков пыли или песка; присутствие активных веществ в
окружающей атмосфере; наличие солнечного облучения, грибковых образований
(плесень),
микроорганизмов,
насекомых,
грызунов;
взрывоопасной
и
легковоспламеняющейся атмосферы; дождя и брызг; присутствие в окружающей
среде озона.
К механическим факторам относят: воздействие вибраций, ударов, линейного
ускорения, акустического удара.
К радиационным факторам относят: космическую радиацию; ядерную
радиацию от реакторов, атомных двигателей, радиационноопасных ситуаций;
облучение потоком гамма-фотонов, нейтронов, бета- частиц, альфа-частиц,
протонов, дейтронов.
Некоторые из перечисленных факторов могут проявлять себя независимо от
остальных, а некоторые — в совместном действии с другими факторами.
47
Например, наличие движущихся потоков песка неизбежно приводит к
возникновению вибраций в элементах конструкции ЭА.
Поскольку электронно-вычислительная аппаратура принадлежит, как
правило, к классу так называемых человеко-машинных систем, то важное влияние
на работоспособность ЭА оказывает человеческий (субъективный) фактор.
Квалификация специалиста сказывается на качестве работы ЭА на всех этапах ее
жизненного цикла. Несоблюдение правил проектирования, изготовления и
эксплуатации ЭА приводит в конечном итоге к снижению их качества. Известно,
что в ряде случаев число отказов аппаратуры увеличивается с ростом частоты
осмотров и ремонта. Внедрение автоматизации на всех этапах создания ЭА
уменьшает влияние человеческого фактора.
Климатические факторы
Нормальными климатическими условиями являются:
температура
(+25±10) °С, относительная влажность 45...80%, атмосферное давление (8,3...
10,6) • 104 Па (630...800 мм рт. ст.), отсутствие активных веществ в окружающей
атмосфере.
Совокупность воздействующих на конструкцию ЭА отдельных климатических факторов и их характеристики определяются той климатической зоной,
в которой она эксплуатируется. Весь земной шар разделен на семь климатических
зон, климат которых определяется как очень холодный, холодный, умеренный,
тропически влажный, тропически сухой, умеренно холодный морской и
тропический морской.
Очень холодный регион располагается в Антарктиде. Средняя минимальная
температура в нем ниже -60 °С. Рекордной является зафиксированная в
центральных районах Антарктиды на станции «Восток» температура -88,3 °С.
Характерной особенностью этого региона является сочетание низких температур с
сильным ветром.
В холодную зонувключены большая часть России и Канады, Аляска,
Гренландия. Средняя минимальная температура здесь достигает -50 °С, годовой
перепад температур для некоторых районов составляет 80 °С, среднесуточный —
до 40 °С. Особенностью для этой климатической зоны является наличие высокой
прозрачности атмосферы, что благоприятно для ионизации воздуха и, как
следствие, накоплению на поверхности аппаратуры статического электричества.
Характерным также является обледенение, иней, ветер с мелкой снежной пылью.
В умеренный климатический регион включены часть территории России,
большая часть Европы, США, прибрежные территории Австралии, Южной Африки
и Южной Америки. Для него характерно годовое изменение температур от -35 до
+35 °С, образование инея, выпадение росы, наличие тумана, изменение давления
воздуха от 86 до 106 кПа.
Влажная тропическая зона располагается вблизи экватора и включает
большую часть Центральной и Южной Америки, среднюю часть Африки, юг
Индии, Индонезию, часть Юго-Восточной Азии. Для этой зоны характерны
среднегодовые температуры +20...+25 °С с перепадом температуры за сутки не
более 10 °С. Высокая влажность и повышенная концентрация солей (особенно
вблизи побережья морей и океанов) делает атмосферу этой зоны коррозионноагрессивной. В промышленных районах в атмосфере содержится сернистый газ и
хлориды. Благоприятное сочетание температуры и влажности способствует
существованию более 10000 видов плесневых грибков.
48
К зоне с сухим тропическим климатом относят северную часть Африки,
центральную Австралию, засушливые районы Средней Азии, Аравийский
полуостров, часть Северной Америки. Этот регион характеризуется высокими
температурами (до +55 °С), низкой влажностью, интенсивным солнечным
излучением (до 1500 Вт/м2), высоким содержанием пыли и песка в атмосфере.
Последнее способствует отрицательному абразивному и химическому воздействию
на аппаратуру.
Умеренно холодная морская зона включает моря, океаны и прибрежные
территории, расположенные севернее 30° северной широты и южнее 30° южной
широты. Остальная часть морей, океанов и прибрежных территорий относится к
тропически морской зоне. Климат морских зон отличается сравнительно
небольшими суточными перепадами температур, наличием высокой влажности и
значительной концентрацией хлоридов в атмосфере.
Учитывая специфику каждой из климатических зон, ЭА наземного базирования, предназначенная для работы в тропических зонах, должна быть
изготовлена в соответствующем исполнении, что отмечается в
РЛ О4,
документации индексом Т. ЭА, устанавливаемая на судах с
Па
неограниченным районом плавания, имеет обозначение ОМ. ЭА,
6,0
пригодная
для эксплуатации на суше и на море, имеет индекс В.
Повышенные и пониженные температуры влияют на место установки ЭА,
расположение источников внешнего нагрева, выделение тепла активными
элементами внутри ЭА и суточным изменением температуры окружающей среды.
Так как электрические параметры MC и ЭРЭ температурозависимы, необходимо,
чтобы температура нагрева наиболее чувствительных к окружающей температуре
элементов находилась в допустимых для этих элементов пределах. Кроме того,
многие конструктивные материалы при высоких температурах претерпевают
структурные изменения (тепловое старение материалов).
Работоспособность ЭА определяется допустимым температурным
диапазоном работы, в
котором
ЭА
должна
выполнять
заданные
функции в рабочем, т. е. во
включенном состоянии.
Для исключения выхода из
строя ЭА в процессе
хранения
и
транспортирования
в
нерабочем, невключенном
состоянии необходимо,
чтобы она выдерживала
температуры, несколько
большие
допустимого
диапазона.
Эти
температуры, называемые
предельными, характеризуют тепло-и холодопрочность конструкции ЭА.
49
Рис. 12. Зависимость давления воздуха от высоты над уровнем моря
Тепловой удар характеризуется резким изменением температуры окружающей среды. При этом время изменения температуры исчисляется минутами,
а ее перепад — десятками градусов. Наиболее сильно тепловой удар проявляется в
элементах конструкции, где имеются локальные механические напряжения,
способствуя образованию микротрещин, их росту и объединению.
Влажность — один из наиболее агрессивных воздействующих факторов,
проявляющий себя при погружении аппаратуры в воду, воздействии капель дождя
и брызг, водяных паров, образовании росы и инея с последующим его оттаиванием.
Адсорбция на поверхности элементов ЭА конденсирующейся из окружающей
атмосферы воды способствует коррозии металлических деталей, старению
неметаллов, изменению электроизоляционных характеристик изоляторов. Кроме
того, влага может выделяться из лакокрасочных и пропиточных материалов.
Вода, содержащаяся в атмосфере, всегда загрязнена активными веществами
— углекислыми и сернистыми солями кальция, магния, железа, хлористым
кальцием, газами — что еще больше способствует проявлению коррозии.
Выпадение росы на поверхность аппаратуры происходит при
3,0
определенной температуре (точка росы), значение которой зависит от
1,0
относительной влажности атмосферы:
Относительная влажность, %
100 80
60
40
20
Точка росы, °С
15,5 12,1 7,8 2,0 -6,6
Поглощение влаги различными материалами связано с тем, что межмолекулярные О 5
промежутки в полимерах, поры в
10
15
20 h, км
керамике
и
других материалах в сотни раз
превосходят размеры молекул воды (около 3 • Ю-10 м). Способность воды
смачивать поверхность и проникать в поры материалов и микротрещины в зоне
спаев разнородных материалов увеличивается с повышением температуры. Так,
при повышении температуры от +20 до +80 °С вязкость воды уменьшается в 3 раза,
а величина поверхностного натяжения — более чем в 2 раза. Коэффициент
самодиффузии при этом также увеличивается более чем в 3 раза.
Пониженное и повышенное давление окружающей среды зависит прежде
всего от высоты над уровнем моря места, где эксплуатируется ЭА. На рис. 2.1
приведен график изменения атмосферного давления от высоты над уровнем моря.
На границе между тропосферой и стратосферой (16 км) давление воздуха равно
примерно 10 кПа. Содержание влаги в атмосфере с ростом высоты также
уменьшается.
Изменение температуры с ростом высоты происходит по более сложному
закону. В тропосфере (10 км в полярных широтах и 18 км в районе экватора)
температура убывает в среднем на 6° на каждом километре. В тропосфере
сосредоточено около 80% всей воздушной массы атмосферы. В стратосфере
(16...55 км) температура возрастает почти до 270 К. Затем с дальнейшим ростом
высоты температура снова падает (мезосфера), а в термосфере опять возрастает и
достигает 1000 К. На высоте 200 км начинается экзосфера, где атмосферные газы
рассеиваются в мировое пространство.
При снижении давления ухудшается отвод тепла конвективным тепло-
50
обменом, уменьшается электрическая прочность воздуха, что приводит к
ионизации воздуха и образованию химически активных ионов и радикалов.
Повышенное атмосферное давление оказывает в первую очередь механическое
воздействие на элементы конструкции ЭА.
Пыль и песок, содержащиеся в атмосфере, оседая на поверхности деталей
ЭА, могут стать причиной возникновения в ней неисправностей. Пыль содержит
углекислые и сернокислые соли и хлориды, которые, взаимодействуя с влагой,
ускоряют процессы коррозии. Кроме того, находящаяся в воздухе пыль
способствует утечке зарядов и может вызвать пробой промежутка, находящегося
между контактами с высоким потенциалом. Стандартами определены три уровня
концентрации пыли: 0,18; 1,0; 2,0 г/м3.
К активным веществам в окружающей аппаратуру атмосфере относят
сернистый газ, хлористые соли, пары кислот, щелочей и др. Их содержание в
атмосфере районов, находящихся в прибрежной зоне, значительно больше, чем во
внутриконтинентальных районах. Различают три типа атмосферы: атмосфера
сельской местности (содержание сернистого газа не более
02мг/м3), атмосфера промышленного района (сернистый газ 0,02...2 мг/м3,
хлористые соли не более 0,3 мг/м3), морская атмосфера (хлористые соли
.2000 мг/м3).
Солнечное облучение также активно воздействует на работоспособность ЭА.
Спектр излучаемой солнцем энергии состоит из трех составляющих:
ультрафиолетовая часть (длина волны менее 390 10"|0м), видимая часть (длина
волны 390-КГ10...760-1(Г1ом), инфракрасная часть (длина волны более 76010~'°м). На ультрафиолетовую часть спектра приходится около 9 % энергии
излучения, на волны видимой части — около 41 %, на инфракрасную часть —
около 50 %. Примерно 35 % солнечной энергии поглощается в космическом
пространстве, 19 % поглощается атмосферой Земли, около 46 % достигает земной
поверхности.
Интегральная плотность потока солнечной энергии одинакова на поверхности Земли и на высоте 15 км и составляет 1125 Вт/м2, при этом 42 Вт/м2
приходится на ультрафиолетовую часть спектра.
Грибковые образования (плесень) относят к низшим растениям, не имеющим
фотосинтеза. В процессе своей жизнедеятельности они выделяют лимонную,
уксусную, щавелевую кислоты и другие химические вещества, под действием
которых изменяются характеристики многих материалов. Активно поглощая воду,
эти вещества способствуют ускорению процессов коррозии, ухудшают
электроизоляционные свойства полимерных материалов и т. д.
Идеальные условия для развития грибковых образований: температура
.35 °С, относительная влажность 80... 100 %, неподвижность воздуха,
отсутствие света (особенно ультрафиолетовой и инфракрасной частей спектра).
Механические факторы
В процессе транспортирования и эксплуатации ЭА подвергается воздействию
вибраций, представляющих собой сложные колебания, которые возникают при
контакте конструктивных элементов с источником колебаний. Особо опасны
вибрации, частота которых близка к собственным частотам колебаний узлов и
элементов конструкции. Свойство аппаратуры противодействовать их влиянию
характеризуется вибропрочностью и виброустойчивостью. Виброустойчивость
определяет способность ЭА выполнять заданные функции во включенном
51
состоянии в условиях воздействия вибраций. Вибропрочность характеризует
качество конструкции ЭА, т. е. способность противостоять разрушающему
воздействию вибрации в нерабочем состоянии и продолжать нормально работать
после включения и снятия вибрационных нагрузок. Воздействующие на
конструкцию ЭА вибрации характеризуются диапазоном частот и величиной
ускорения (в единицах g).
Явление удара в конструкции ЭА возникает в случаях, когда объект, на
котором установлена аппаратура, претерпевает быстрое изменение ускорения.
Удар характеризуется ускорением, длительностью и числом ударных импульсов.
Различают удары одиночные и многократные.
Линейное ускорение характеризуется ускорением (в единицах g) и
длительностью воздействия.
Акустический шум, проявляющийся в ЭА, устанавливаемых вблизи
работающих двигателей ракет, самолетов, на кораблях, автомобильном и
железнодорожном транспорте, характеризуется давлением звука, мощностью
колебаний источника звука, силой звука, спектром звуковых частот.
При воздействии вибрации и ударных нагрузок на элементы конструкции ЭА
в них возникают статические и динамические деформации, так как любой элемент
конструкции
представляет
собой
колебательную
систему,
имеющую
сосредоточенную и распределенную нагрузку и определенный вид закрепления
концов.
Следует отметить, что механизм влияния на конструкцию ЭА акустических
шумов и ударно-вибрационных нагрузок различен. Акустический шум подвергает
механическим нагрузкам практически в равной степени все элементы конструкции.
Ударно-вибрационные нагрузки воздействуют на элементы конструкции ЭА через
их точки крепления. Поэтому эффективность такого воздействия определяется
также положением элементов относительно его направленности. Детали крепления
элементов в определенной мере являются своего рода демпферами, ослабляющими
действие источника вибраций. Поэтому при прочих равных условиях следует
признать действие акустического шума более разрушительным, чем действие
ударно-вибрационных нагрузок.
Все более расширяющиеся области применения ЭА практически во всех
сферах человеческой деятельности ужесточают требования к устойчивости их
конструкции воздействию механических факторов. Это иллюстрируется данными
табл. 4, в которой приведена динамика роста требований нормативно-технических
документов по механическим нагрузкам.
Таблица 5 . Уровень требований к ЭА
Уровень требований
Воздействия
1960 г. 1965 г.
1970 г.
1995 г.
Вибрации: частота, Гц 5...60 5...1000 5...2500 5...5000
ускорение, g
7,5
10
15
40
Линейное ускорение, g 25
75
150
500
Одиночные удары, g
150
500
1000
75
150
150
75
Многократные удары, g 40
52
Акустические шумы, дБ —
—
—
165
Радиационные факторы
Радиационное воздействие вызывает как немедленную, так и накапливающуюся реакцию элементов, составляющих конструкцию ЭА. Среди существующих видов излучений наибольшую опасность представляют электромагнитные излучения и частицы высоких энергий.
Полный спектр электромагнитных излучений охватывает диапазон длин волн
от десятков тысяч метров до долей нанометра. Наиболее значимое воздействие на
ЭА оказывают рентгеновское излучение и гамма-лучи (длина волн менее 10 нм).
Эти виды излучения обладают значительной проникающей и ионизирующей
способностью и характеризуются дозой и мощностью излучения.
Экспозиционная доза излучения, измеряемая в кулонах на килограмм (Кл/кг),
представляет количество излучения, создающее посредством ионизации в одном
килограмме воздуха заряд, равный одному кулону.
Мощность экспозиционной дозы характеризует интенсивность излучения и
измеряется в амперах на килограмм (А/кг). Она равна экспозиционной дозе
излучения в 1 Кл/кг, переданной в течение 1 с. Широкое хождение имеют
внесистемные единицы измерения экспозиционной дозы, называемые рентген,
равный 2,58* 10-4 Кл/кг, и мощность экспозиционной дозы — рентген в секунду
(Р/с).
Поглощенная доза излучения, зависящая от параметров источника излучения и особенностей облучаемого вещества, измеряется отношением средней
энергии, переданной излучением веществу к его массе. Единицей поглощенной
дозы является Гр (Дж/кг), равный поглощенной дозе, соответствующей энергии в 1
Дж, переданной веществу массой 1 кг.
Мощность поглощенной дозы характеризует интенсивность передачи
энергии излучения веществу и соответствует приращению поглощенной дозы за
единицу времени (Гр/с). Допускается применение внесистемных единиц для
описания поглощенной дозы и мощности поглощенной дозы, называемых рад и
соответственно рад в секунду (рад/с); 1 рад = 0,01 Гр.
Существенное воздействие на конструкцию ЭА оказывают заряженные
частицы: а-частицы, протоны, 0-частицы и нейтроны, обладающие высокой
проникающей способностью. Для количественного описания их воздействия
применяют физические величины, называемые потоком и плотностью потока
частиц.
Поток ионизирующих частиц характеризуется отношением числа частиц,
прошедших через данную поверхность за все время облучения, и измеряется в с-1.
Плотность потока ионизирующих частиц определяется потоком частиц,
отнесенному к площади поверхности проникновения излучения, и измеряется в с-1
• м~2.
Облучение частицами может вызвать в веществах обратимые, полуобратимые и необратимые явления. Обратимые явления возникают с началом
облучения, сохраняются на протяжении его действия и исчезают с его прекращением. Полуобратимые явления возникают с началом облучения, увеличиваются с его действием и постепенно исчезают после его прекращения.
Необратимые явления возникают в процессе воздействия определенной дозы
53
облучения, не исчезают и не уменьшаются после его прекращения.
Наиболее устойчивы к воздействию облучения металлы. Так, интегральный
поток нейтронов величиной Ю20 частиц/см2 на свойства большинства металлов
практически не влияет. Однако следует учитывать, что у большинства металлов
при облучении снижается предел текучести в 2—3 раза, ударная вязкость
уменьшается, удельное сопротивление возрастает на 20...30%. Наименьшей
радиационной стойкостью обладают магнитные материалы и электротехнические
стали. Некоторые металлы, например марганец, цинк, молибден после облучения
нейтронами сами становятся радиоактивными.
Воздействие излучения на полимеры приводит к разрушению межмолекулярных связей, образованию зернистых структур и микротрещин. В результате
полимерные детали теряют эластичность, становятся хрупкими, уменьшается их
прочность на разрыв.
При облучении резисторов возникают обратимые и необратимые изменения
сопротивления, уровень шума увеличивается, параметр влагостойкости
уменьшается. Керамические и проволочные резисторы наиболее устойчивы к
действию облучения. Интегральный поток величиной до Ю20 частиц/см2 почти не
вызывает изменений их параметров. Менее устойчивы к облучению
металлопленочные и пленочные углеродистые резисторы. Их параметры заметно
ухудшаются при интегральном потоке свыше 1014 частиц/см2. Так же
чувствительны к облучению и композиционные резисторы.
Облучение конденсаторов ухудшает их электрическую прочность, изменяет
емкость и тангенс угла диэлектрических потерь. Причиной этого являются
необратимые явления в структуре диэлектрика, механические деформации,
ионизация диэлектрика и воздушных промежутков. Наиболее стойкими к
облучению являются керамические, стеклоэмалевые и слюдяные конденсаторы.
Конденсаторы с органическим диэлектриком (бумажные, по-листироловые,
лавсановые, фторопластовые и др.) обладают пониженной радиационной
стойкостью. Электролитические конденсаторы обладают наиболее низкой
стойкостью, в них разгерметизация и разложение электролита наступают при
низких дозах облучения.
По сравнению с другими типами электрорадиоэлементов наименее стойкими
к облучению являются полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы
вследствие возникновения в них обратимых и необратимых явлений. Необратимые
дефекты в полупроводниках приводят к потере выпрямительных свойств диодов
из-за постепенного увеличения удельного электросопротивления исходного
материала. Транзисторы всех типов при облучении теряют усилительные свойства,
в них возрастают токи утечки, пробивное напряжение снижается. Их радиационная
стойкость составляет 10|2...1014 нейтронов/см2 при облучении нейтронами и 104...
107 рад при гамма-облучении.
В интегральных микросхемах (МС) при облучении существенно изменяются
характеристики вследствие изменения параметров входящих в них резисторов,
конденсаторов, диодов, транзисторов. Так же изменяются изолирующие свойства
разделительных р—n«-переходов, возрастают токи утечки, появляются
многочисленные паразитные связи между элементами структуры микросхем, что в
результате приводит к нарушению их функционирования.
Тема
2.2.1
Основные
технологические
процессы
производства
54
полупроводниковых интегральных схем.
Тактико-технические, конструктивно-технологические, эксплуатационные и
экономические характеристики ЭВМ и систем определяют примененные в
нихмикросхемы, выполняющие функции преобразования, хранения, обработки,
передачи и приема информации.
Микросхемой (интегральной микросхемой - ИМС, интегральной схемой ИС)называют функционально законченный электронный узел (модуль), элементы
и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно
в едином технологическом процессе в общем кристалле-основании.
Теория, методы расчета и изготовления микросхем составляют
основумикроэлектроники - современной наукоемкой отрасли техники.
По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делятся
наполупроводниковые и гибридно-пленочные. Полупроводниковые микросхемы
имеют в своей основе монокристалл полупроводникового материала (обычно
кремния), в поверхностном слое которого методами литографии и избирательного
легирования создаются транзисторы, диоды, резисторы и (иногда) конденсаторы, а
соединения между ними формируются по поверхности кристалла с
помощьютонкоплёночной технологии. Полупроводниковые микросхемы могут
бытьоднокристальными (монолитными) и многокристальными (микросборками).
Однокристальная микросхема может иметь индивидуальный герметизированный
корпус с внешними выводами для монтажа на коммутационной (печатной) плате,
или быть бескорпусной и входить в состав микросборки.
Многокристальная микросхема (микросборка) представляет собой
совокупность
бескорпусных
микросхем,
смонтированных
на
общей коммутационной плате. В качестве компонентов в микросборке могут
присутствовать бескорпусные согласующие резисторы и развязывающие
конденсаторы. Вследствие высокой насыщенности связей коммутационная плата
выполняется многоуровневой и, таким образом, является миниатюрным аналогом
многослойной печатной платы. При изготовлении коммутационной платы может
быть использована как тонкоплёночная, так и толстоплёночная технологии.
Гибридно-плёночные микросхемы включают в себя плёночные пассивные
элементы (резисторы и конденсаторы), коммутационные проводники, нанесённые
непосредственно на подложку из изоляционного материала, и бескорпусные
полупроводниковые кристаллы (транзисторы, диоды, диодные матрицы,
несложные микросхемы), монтируемые на той же подложке. Пассивные элементы
и проводники могут быть выполнены по тонкоплёночной или толстоплёночной
технологии.
В качестве активных элементов в полупроводниковых микросхемах
используютсяуниполярные (полевые) транзисторы со структурой “металл –
диэлектрик
(оксид)
–
полупроводник”
(МДП- или МОП-транзисторы)
и биполярные транзисторы. В соответствии с этим все полупроводниковые
микросхемы делятся на три основные вида: биполярные, униполярные (МДП или
МОП) и биполярно-полевые.
Число элементов в интегральной микросхеме характеризует ее степень
интеграции. По этому параметру все микросхемы условно делят на малые (МИС –
до 102 элементов на кристалл), средние (СИС – до 103), большие (БИС – до 104),
сверхбольшие (СБИС – до 106), ультрабольшие (УБИС – до 109) и гигабольшие
55
(ГБИС – более 109 элементов на кристалл).
Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые интегральные
схемы с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти,
постоянные и перепрограммируемые ЗУ. Это связано с тем, что в таких схемах
доля участков поверхности ИС, приходящаяся на межсоединения, существенно
меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой.
Укрупненные
схемы
технологических
процессов
изготовления
полупроводниковых (монолитных) и гибридно-пленочных ИС приведены
соответственно на рис. 1 и 2. В последующих разделах приведено описание
характерных особенностей выполнения отдельных технологических операций, в
основном определяющих основные параметры интегральных микросхем.
Тактико-технические, конструктивно-технологические, эксплуатационные и
экономические характеристики ЭВМ и систем определяют примененные в
нихмикросхемы, выполняющие функции преобразования, хранения, обработки,
передачи и приема информации.
Микросхемой (интегральной микросхемой - ИМС, интегральной схемой ИС)называют функционально законченный электронный узел (модуль), элементы
и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно
в едином технологическом процессе в общем кристалле-основании.
Теория, методы расчета и изготовления микросхем составляют
основумикроэлектроники - современной наукоемкой отрасли техники.
По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делятся
наполупроводниковые и гибридно-пленочные. Полупроводниковые микросхемы
имеют в своей основе монокристалл полупроводникового материала (обычно
кремния), в поверхностном слое которого методами литографии и избирательного
легирования создаются транзисторы, диоды, резисторы и (иногда) конденсаторы, а
соединения между ними формируются по поверхности кристалла с
помощьютонкоплёночной технологии. Полупроводниковые микросхемы могут
бытьоднокристальными (монолитными) и многокристальными (микросборками).
Однокристальная микросхема может иметь индивидуальный герметизированный
корпус с внешними выводами для монтажа на коммутационной (печатной) плате,
или быть бескорпусной и входить в состав микросборки.
Многокристальная микросхема (микросборка) представляет собой
совокупность
бескорпусных
микросхем,
смонтированных
на
общей коммутационной плате. В качестве компонентов в микросборке могут
присутствовать бескорпусные согласующие резисторы и развязывающие
конденсаторы. Вследствие высокой насыщенности связей коммутационная плата
выполняется многоуровневой и, таким образом, является миниатюрным аналогом
многослойной печатной платы. При изготовлении коммутационной платы может
быть использована как тонкоплёночная, так и толстоплёночная технологии.
В качестве активных элементов в полупроводниковых микросхемах
используютсяуниполярные (полевые) транзисторы со структурой “металл –
диэлектрик
(оксид)
–
полупроводник”
(МДП- или МОП-транзисторы)
и биполярные транзисторы. В соответствии с этим все полупроводниковые
микросхемы делятся на три основные вида: биполярные, униполярные (МДП или
МОП) и биполярно-полевые.
Число элементов в интегральной микросхеме характеризует ее степень
интеграции. По этому параметру все микросхемы условно делят на малые (МИС –
56
до 102 элементов на кристалл), средние (СИС – до 103), большие (БИС – до 104),
сверхбольшие (СБИС – до 106), ультрабольшие (УБИС – до 109) и гигабольшие
(ГБИС – более 109 элементов на кристалл).
Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые интегральные
схемы с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти,
постоянные и перепрограммируемые ЗУ. Это связано с тем, что в таких схемах
доля участков поверхности ИС, приходящаяся на межсоединения, существенно
меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой.
Укрупненные
схемы
технологических
процессов
изготовления
полупроводниковых (монолитных) и гибридно-пленочных ИС приведены
соответственно на рис. 1 и 2. В последующих разделах приведено описание
характерных особенностей выполнения отдельных технологических операций, в
основном определяющих основные параметры интегральных микросхем.
Изготовление монокристалла полупроводникового материала.
Монокристалл – отдельный однородный кристалл, имеющий во всем объеме
единую кристаллическую решетку и зависимость физических свойств от
направления (анизотропия). Электрические, магнитные, оптические, акустические,
механические и др. свойства монокристалла связаны между собой и обусловлены
кристаллической структурой, силами связи между атомами и энергетическим
спектром электронов.
Монокристаллы для полупроводниковой промышленности (кремний,
германий, рубин, гранаты, фосфид и арсенид галлия, ниобат лития и др.)
изготавливаются, как правило, методом Чохральского путем вытягивания из
расплава с помощью затравки. Монокристалл растет на затравке со скоростью до
80 мм/ч. Расплав смачивает затравку и удерживается на ней силами
поверхностного натяжения. Температуру расплава и скорость кристаллизации
можно изменять независимо. Отсутствие прямого контакта растущего
монокристалла с тиглем и возможность изменения его геометрической формы
позволяет получать бездислокационные монокристаллы. Получаемые методом
Чохральского монокристаллы имеют форму цилиндра длиной до 1 метра и более и
диаметром 20…300 мм.
Монокристалл после охлаждения калибруют по диаметру до заданного
размера с точностью ± 1 мм. Затем производится травление его поверхности на
глубину 0,3…0,5 мм и ориентация по заданному кристаллографическому
направлению (для Si, например, чаще всего по оси <111>), чтобы получить после
разрезки пластины, ориентированные строго в заданной плоскости.
Обогащение неосновными носителями
Диффузия примесей
Диффузия в полупроводниках это процесс последовательного перемещения
атомов примеси в кристаллической решетке, обусловленной тепловым движением.
Для изготовления р-n перехода используется химическая диффузия примесных
атомов, которые вводятся в кристаллическую решетку вещества для изменения его
электрофизических свойств. Перемещение примеси в решетке происходит
посредством последовательных скачков, осуществляемых в трех направлениях.
При наличии градиента концентрации собственных или примесных атомов
на их диффузию оказывают влияние точечные дефекты.
Задачи технологического этапа диффузии:
57
- управление концентрацией легирующей примеси в подложке,
- обеспечение однородности легирования,
- обеспечение воспроизводимости процесса,
- увеличение числа подложек, подвергаемых одновременному легированию,
для снижения себестоимости продукции.
Назначение диффузии:
- формирование базовых и эммитерных областей и резисторов в биполярной
технологии,
- создание областей истока и стока в МОП технологии,
- для легирования поликристаллического кремния.
Способы диффузии:
- диффузия из химического истока в парообразной форме при высоких
температурах,
- диффузия из легированных окислов,
- диффузия из ионно-имплантированных слоев с последующим
отжигом (проводится для активирования имплантации атомов и уменьшения числа
дефектов).
Изучение диффузии ведется в направлении создания на основе
экспериментальных данных точных моделей, способных предсказывать протекание
процесса диффузии путем теоретического анализа. Конечная цель этого анализа определение электрических характеристик полупроводниковых приборов на
основе параметров технологического процесса расчетным путем.
Бор, фосфор в кремнии диффундируют по вакансионному механизму,
элементы 1 и 7 группы - по междоузельному.
В общем случае диффузия анизотропна. Однако в кубической решетке из-за
ее симметрии диффузия изотропна. Процессы изотропной диффузии описываются
посредством коэффициента диффузии D, который является скалярной величиной и
определяется из первого закона Фика.
При одномерной диффузии
,
где J - плотность потока атомов или дефектов вещества, D - коэффициент
диффузии, N - концентрация атомов или дефектов вещества.
Температурная
зависимость
коэффициента
диффузии
выражается
следующим соотношением:
,
где Ea - энергия активации для скачка атома, T - температура диффузии. Для
разных механизмов диффузии энергия активации различна. Например, для
вакансионного механизма значение Ea равняется Ea= 3-4 эВ, а для диффузии по
междоузлиям - Ea= 0.6-1.2 эВ.
Изменение концентрации растворенного вещества во времени при
одномерной диффузии определяется вторым законом Фика
.
(*)
При диффузии на небольшую глубину примеси с относительно низкой
концентрацией (концентрация примеси ниже концентрации собственных
носителей при температуре диффузии) коэффициент диффузии не зависит от
концентрации диффузанта. Значение коэффициента в этом случае принято
58
называть собственным коэффициентом диффузии.
Для низкой концентрации примеси уравнение (*) можно записать в виде:
.
Однако при высоких уровнях легирования наблюдается значительное
увеличение коэффициента диффузии, что имеет место за счет влияния на движение
примеси электрического поля, возникающего при химической диффузии, а также
при взаимодействии примеси и точечных дефектов с дефектами, находящимися в
различном заряженном состоянии.
1. Диффузия из бесконечного источника описывается уравнением
,
(1)
где N(x, t) - концентрация примеси на расстоянии x от поверхности, N0 постоянная поверхностная концентрация примеси, D - коэффициент диффузии
примеси при температуре диффузии, t - продолжительность диффузии, erfс(z) дополнительная функция ошибок.
Начальные условия: N(x, 0)=0. Граничные условия: N(0, t)=N0, N(x>>0, t)=0 .
Металлургическим переходом называется глубина, на которой концентрация
диффузионной примеси N(xj) равняется концентрации исходной примеси в
подложке N(xj)= Nb.
Если тип легирующей примеси противоположен
типу
примеси
подложки,
то
концентрацию
легирующих элементов N(x)= |ND(x)-Nb| в области p-n
перехода
можно
определить
с
помощью
дополнительной
функции
ошибок. Зависимость
концентрации легирующей примеси от параметра z=
x/2(Dt)1/2 приведена на рис. 13.
На рис. 14 изображен профиль легирования из
источника с постоянной концентрацией. рис 13.
Зависимость концентрации легирующей примеси от
параметра z
Рис 14. Профиль легирования из источника с постоянной концентрацией.
59
2. Диффузия из ограниченного источника описывается уравнением Гаусса:
Начальные
условия:
N(x,
0)=0.
Граничные условия: Q0 - число атомов легирующего вещества, осажденного на
единицу площади полупроводника, равно интегралу от N(x, t) по всей глубине
полупроводника и N(x, t>>0)=0.
При x=0 концентрация легирующей примеси на поверхности будет равна:
Количество диффузанта, необходимого для осуществления диффузии на
определенную глубину полупроводника заданного количества примеси,
изменяющейся пропорционально exp(-z2), где
, очень мало.
Такое количество примеси можно ввести ионным легированием или
предварительным проведением диффузии (преддиффузии) при низкой температуре
в течение короткого времени. При этом на поверхности сформируется источник с
необходимым малым содержанием примеси Q0:
,
где Q0 - количество примеси, поступающее в течение преддиффузии,
N01 поверхностная
концентрация
при
температуре
преддиффузии,
D1 коэффициент
диффузии
при
температуре
преддиффузии,
t1 - продолжительность преддиффузии.
Общее уравнение, позволяющее определить концентрацию примеси в
полупроводнике, записывается в следующем виде:
,
(2)
где индексы 1 относятся к разгонке примеси из источника сформированного
на преддиффузии, а индексы 2 - к самому процессу диффузии.
Уравнение (2) справедливо для случая, когда выполняется следующее
условие:
На рис. 15 изображен профиль легирования из ограниченного источника.
60
рис. 15. Профиль легирования из ограниченного источника.
Профили легирования при диффузии из бесконечного (кривая 1) и
ограниченного (кривая 2) источников в сравнении изображены на рис. 16.
Рис 16. Профили легирования при диффузии из бесконечного (кривая 1) и
ограниченного источников.
На рис. 17 показано формирование областей базы и эммитера биполярного
транзистора и указаны возможные значения глубин слоев с разным типом
проводимости.
61
рис. 17. Формирование областей базы и эммитера биполярного транзистора.
Ионное легирование
Ионной имплантацией называется процесс внедрения в мишень
ионизованных атомов с энергией, достаточной для проникновения в ее
приповерхностные области. Успешное применение ионной имплантации
определяется главным образом возможностью предсказания и управления
электрическими и механическими свойствами формируемых элементов при
заданных условиях имплантирования.
Наиболее распространенным применением ИИ в технологии формирования
СБИС является процесс ионного легирования кремния. Часто приходится
проводить имплантацию атомов в подложку, которая покрыта одним или
несколькими слоями различных материалов. Ими могут быть как тонкие слои
тяжелых металлов (например, Та или TaSi2), так и диэлектриков. Существование
многослойной структуры способно вызвать резкие перепады в профиле
легирования на границе отдельных слоев. За счет столкновения ионов с атомами
приповерхностных слоев последние могут быть выбиты в более глубокие области
легируемого материала. Такие "осколочные эффекты" способны вызвать
ухудшение электрических характеристик готовых приборов.
Во
многих
случаях
для
получения
необходимого
профиля
распределения легирующей примеси в подложке применяют метод, основанный на
предварительной загонке ионов с их последующей термической разгонкой в
мишени. При этом имплантация проводится с малой энергией ионов.
Общая траектория движения иона называется длиной пробега R, а
расстояние, проходимое внедряемым ионом до остановки в направлении,
перпендикулярном к поверхности мишени,проецированной длиной пробега Rp.
62
Рис 18. Схема установки ионного легирования.
Схема установки для ионной имплантации приведена на рис. 18.
1 - источник ионов
2 - масс-спектрометр
3 - диафрагма
4 - источник высокого напряжения
5 - ускоряющая трубка
6 - линзы
7 - источник питания линз
8 - система отклонения луча по вертикали и система отключения луча
9 - система отклонения луча по горизонтали
10 - мишень для поглощения нейтральных частиц
11 - подложка
12 - электрометр
Магнитный масс-спектрометр предназначен для отделения ненужных ионов
от легирующих, электрометр - для измерения величины имплантированного потока
ионов. Маски для ИИ могут быть изготовлены из любых материалов,
используемых в технологии СБИС (фоторезист, нитриды, окислы, поликремний).
Управление дозой при ИИ затруднено рядом факторов. Это наличие потока
нейтральных частиц, обмен энергии ионов с молекулами газов, вторичная
электронная эмиссия из мишени, эфект обратного ионного распыления.
Для ликвидации последствий действия этих факторов используют
следующие технические приемы. Нейтральные молекулы отсеивают с помощью
масс-спектрометра (его магнитным полем не отклоняет нейтральные частицы и они
не попадают в апертурную диафрагму). Кроме того, в камере поддерживается
достаточно высокий вакуум, предотвращающий процесс нейтрализации ионов.
Вторичную электронную эмиссию подавляют, располагая около мишени ловушку
Фарадея.
От загрязнений поверхности кремния вследствие полимеризации углеводородов
ИИ проводят через окисную пленку, которую затем удаляют.
Профиль распределения примеси при ионной имплантации бора различных
энергий в кремний приведен на рис. 19. Для корректного теоретического расчета
профиля, особенно для больших значений энергий пучков ионов, используют два
объединенных распределения Гаусса.
63
рис. 19. Профиль распределения примеси при ионной имплантации бора
, где
D
поглощенная
доза,
Rm - модальная длина пробега (аналог проекционной длины пробега при
Гауссовском
распределении),
флуктуации
первого
и
второго
распределения,
при x>Rm,
при x<=Rm.
Теоретические профили, рассчитанные по приближению Пирсона с 4
параметрами и распределению Гаусса, и измеренные профили при ионной
имплантации бора в кремний без проведения отжига приведены на рис. 20.
рис. 20. Теоретические профили, рассчитанные по приближению Пирсона
Литография
Основными методами оптического экспонирования являются контактный,
бесконтактный и проекционный.
Контактная печать.
При контактной печати (см. рис. 21) пластина кремния, покрытая резистом,
находится в непосредственном физическом контакте со стеклянным
фотошаблоном.
64
Рис 21. Контактная печать.
12345-
источник света
2- оптическая система
3- шаблон
4- фоторезист
5- кремниевая пластина
Пластина установлена на вакуумном держателе, который поднимает ее до тех
пор, пока пластина и шаблон не придут в соприкосновение друг с другом.
Прикладываемое при этом усилие составляет несколько килограммов.
Для того чтобы провести совмещение топологического рисунка фотошаблона
с предыдущим, вытравленным в кремнии топологическим рисунком, шаблон и
пластину разводят на 25 мкм, а пару объективов с сильным увеличением помещают
сзади шаблона для одновременного наблюдения рисунков шаблона и пластины из
двух точек. Объективы принадлежат микроскопу с разведенным полем зрения, так
что правый глаз видит точку на правой стороне шаблона и пластины, а левый точку слева. Шаблон и пластину совмещают механическим перемещением и
вращением вакуумного держателя до совпадения топологических рисунков
шаблона и пластины.
В этом положении пластина приводится в соприкосновение с шаблоном и
проводится еще одна проверка на точность совмещения. При экспонировании
микроскоп автоматически отводится и коллимированный луч ультрафиолетового
(УФ) облучения освещает весь шаблон в течение определенного времени
экспонирования. Интенсивность экспонирования на поверхность пластины,
умноженная на время экспонирования, дает энергию экспонирования или дозу
облучения, получаемого резистом.
Разрешение при контактной литографии. Вследствие тесного контакта между
резистом и шаблоном при контактной печати достигаются очень высокие значения
разрешения. В пленке позитивного резиста толщиной 0,5 мкм достаточно легко
можно воспроизвести элементы схемы размером 1 мкм.
Проблемы, возникающие при контактной печати, связаны с наличием
загрязнений на поверхности кремниевой пластины. Кремниевая пылинка на
65
пластине может привести к повреждению поверхности шаблона в момент его
соприкосновения с пластиной. Поврежденный участок шаблона затем
воспроизводится как дефектный топологический рисунок на всех других
пластинах, при экспонировании которых использован этот шаблон. Каждая
пластина добавляет свои собственные повреждения поверхности шаблона.
Если при изготовлении ИС не обеспечивается необходимая чистота процесса
и окружающей среды, то лишь несколько кристаллов ИС не будут иметь дефектов.
Для обеспечения высокого выхода годных кристаллов СБИС плотность
дефектов (число дефектов на 1 см2) должна быть меньше 1 для каждого процесса
литографического переноса.
Метод бесконтактного экспонирования (см. рис. 22) схож с методом контактной
печати, за исключением того, что во время экспонирования между пластиной и
шаблоном поддерживается небольшой зазор шириной 10-25 мкм. Этот зазор
уменьшает (но не устраняет) возможность
повреждения поверхности шаблона.
1- источник света
2- оптическая система
3- шаблон
4- фоторезист
5- кремниевая пластина
6-зазор
При отсутствии физического контакта между
шаблоном и пластиной перенос изображения
осуществляется в дифракционной области
Рис 22. Метод бесконтактного
экспонирования
Френеля, разрешение в которой
пропорционально квадратному корню из произведения
- длина волны
экспонирующего излучения, g - ширина зазора между шаблоном и пластиной. При
бесконтактной печати
величина разрешения составляет 2-4 мкм.
Оптические резисты
В качестве негативногорезиста при оптической литографии применяют
циклополиизопреновый полимер, смешанный с фоточувствительным соединением.
Сенсибилизатор, или фотоинициатор активируется при поглощении энергии в
диапазоне длин волн 200-450 нм. Активированный сенсибилизатор передает
энергию молекулам полимера, что способствует образованию поперечных связей
между цепочками полимера.
Увеличение молекулярного веса полимера приводит к нерастворимости
резиста в проявителе. Многочисленные реакции, снижающие растворимость
резиста, происходят при каждом поглощении сенсибилизатором фотона. Кислород
препятствует протеканию реакций полимеризации, поэтому экспозицию
поверхности негативного резиста часто проводят в атмосфере азота.
При проявлении пленка негативного резиста разбухает, а его
неэкспонированные области с низким молекулярным весом растворяется в
66
проявителе. Этот эффект разбухания пленки уменьшает разрешающую
способность негативныхрезистов. Как правило, минимальный разрешаемый размер
элемента в три раза больше толщины пленки негативного резиста.
Эпитаксия
Термин "эпитаксия" применяют к процессам выращивания тонких
монокристаллических слоев на монокристаллических подложках. Материал
подложки в этом процессе выполняет роль затравочного кристалла.
Если материалы получаемого слоя и подложки идентичны, например,
кремний
выращивают
на
кремнии,
то
процесс
называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным. Если же материалы слоя
и подложки различаются (хотя их кристаллическая структура должна быть сходной
для
обеспечения
роста
монокристаллического
слоя),
то
процесс
называют гетероэпитаксиальным.
Эпитаксиальное выращивание кремния из парогазовой фазы обычно
проводят в реакторе, изготовленном из стеклообразного кварца, на помещенном
внутри него пьедестале (подложкодержателе). Пьедестал служит для установки
подложек и их нагрева во время процесса. Выращивание кремния проводится в
потоке парогазовой смеси при высоких температурах (см. рис. 1).
Для выращивания эпитаксиального кремния используется один из четырех
кремнесодержащих реагентов (тетрахлорид кремния - SiCl4, трихлорсилан SiHCl3, дихлорсилан - SiH2Cl2 и силан - SiH4) и водород. При таких условиях
возможно протекание химических реакций типа SiCl4 + 2H2 = Siтв + 4HCl.
Газ разлагается на поверхности пластины и на нее осаждаются атомы
кремния. Разложение кремнесодержащих компонент происходит пиролитически,
т.е. только за счет тепла. Скорость роста пленки пропорциональна парциальному
давлению силана. Все вещества, поступающие в реактор являются газами, отсюда и
название "химическое осаждение из газовой фазы".
Формирование эпитаксиальных пленок осуществляется при ламинарном
течении газа по трубе, т. е. когда число Рейнольдса
критического значения Reкрит = 2000, где D - диаметр трубы реактора, v - скорость
течения газа,
- плотность газа,
Поток реагентов J от поверхности подложки или обратно задается
уравнением:
J = D*dn/dy или J = (nгаз-nпов)/y , где
nгаз и nпов- концентрация реагентов в газовом потоке и вблизи поверхности
соответственно,
D - коэффициент диффузии реагента в газовой фазе, являющийся функцией
давления и температуры,
J - поток реагентов, характеризующий количество молекул, проходящее
через единицу площади за единицу времени,
dn/dy - градиент концентрации реагентов.
При конструировании реактора в первую очередь должно быть учтено
влияние величины у на процессы массопереноса. Поскольку величина y,
определяющая поток реагентов к поверхности, обратно пропорциональна скорости
потока газа, то для достижения однородности скорости роста эпитаксиальной
пленки по длине реактора при заданной температуре необходимо подбирать
оптимальное значение толщины пограничного слоя, согласованное с изменением
67
температуры и концентрации реагентов. Этого можно достичь, например, путем
изменения потока газа в реакторе (т.е. числа Re). Таким образом, изменяя число
Рейнольдса, можно варьировать скорости потока газов и скорость роста пленки
одновременно и добиться условий равномерности (см. рис. 3).
Например, для трубы диаметром D = 20 см обычная скорость течения газа
составляет v = 50 см/с, а значение y = (D*x/Re)1/2 меньше, чем половина диаметра
трубы (x - расстояние вдоль оси реактора).
Для получения монокристаллической пленки необходимо достаточно сильно
нагреть пластину так, чтобы осаждающиеся атомы кремния могли перемещаться в
положения, в которых бы они образовывали с подложкой ковалентные связи. При
этом атомы должны успеть продолжить монокристаллическую решетку до того,
как они будут накрыты следующими слоями осаждающихся атомов. Это
происходит при температурах процесса от 900 ºС до 1250 ºС. Обычно скорость
роста эпитаксиальной пленки составляет величину порядка нескольких
микрометров в минуту.
Легирование при эпитаксии
Для легирования используются гидриды примесных элементов (арсин AsH3,
диборан B2H6, фосфин PH3). Процессы, происходящие на поверхности кремния
при осаждении:
* адсорбция мышьяка на поверхности;
* диссоциация молекулы; * встраивание мышьяка в растущий слой.
2AsH3---2Asгаз+3H2газ---2Asтв---2(As+)тв+2(e-)
Скорость роста пленки влияет на количество встраиваемой в электронный
слой примеси, т. к. с увеличением скорости не достигается равновесие между
твердой и газообразной фазами реагирующих веществ. Если поток легирующей
примеси в реактор резко прервать, это не приведет к быстрому изменению уровня
легирования, что указывает на большую инертность процесса легирования.
Процесс внедрения в эпитаксиальный слой примесных атомов из пластины
называется
автолегированием.
Различают
макроавтолегирование,
когда
нежелательные легирующие атомы перемещаются внутри реактора от одной
пластины к другой, и микроавтолегирование, когда посторонние примесные атомы
внедряются в локальные области эпитаксиального слоя той же самой пластины.
Технологическое оборудование
При организации технологического процесса особое внимание уделяется
технике безопасности. Возможны взрыв или возгорание водорода, наблюдается
сильная коррозия, обусловленная наличием в технологическом цикле HCl, имеет
место высокая токсичность легирующих газов (концентрация аксина
AsH3 величиной 0,025% приводит к смертельному исходу).
68
Рис 23 .Общий вид и схема технологической установки
В качестве реактора используется кварцевая труба с холодными стенками
(принудительное охлаждение). Пластины располагаются на подложкодержателе,
являющимся одновременно нагревателем индукционного типа. Он изготавливается
из графита, хорошо нагреваемом в ВЧ поле, и покрывается слоем SiC для
уменьшения взаимодействия с парами HCl. Скруббер, имеющий большую площадь
соприкосновения с водой, используется для удаления непрореагировавших
продуктов реакции. Температура в реакторе измеряется оптическим пирометром, а
расход газа - ротаметром.
Дефекты эпитаксиальных пленок
Выделяют следующие типы дефектов (см. рис. 24):
линейная дислокация, проросшая в эпитаксиальный слой (1);
дефекты, зарождающиеся на примесных преципитатах, расположенных на
поверхности подложки (2);
примесные преципитаты, возникшие во время роста эпитаксиального слоя
(3);
бугорки на поверхности, возникающие из-за неудовлетворительных условий
процесса или плохого исходного состояния поверхности (4);
дефекты упаковки, проросшие в эпитаксиальный слой (5).
Рис 24. Типы дефектов.
Термическое окисление кремния
Оборудование
для
термического
окисления.
Слой двуокиси кремния формируется обычно на кремниевой пластине за счет
химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов
кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой
69
контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до
температуры T = 900 - 1200 ºС. Окислительной средой может быть сухой или
влажный кислород. Схематично вид установки показан на рис. 25 (в современных
установках пластины в подложкодержателе располагаются вертикально).
Рис 25. Схема установки для оксидирования
Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины,
соответствует одному из следующих уравнений:
окисление в атмосфере сухого кислорода (сухое окисление): Siтверд.+ O2 =
SiO2;
окисление в парах воды (влажное окисление): Siтверд.+2H2O = SiO2 + 2H2;
термическое окисление в присутствии хлора (хлорное окисление);
термическое окисление при взаимодействии молекул воды, синтезированных
из атомарно чистых кислорода и водорода непосредственно у поверхности
кремния, с атомами кремния (пирогенное окисление).
Время окисления в стандартных технологических процессах составляет 4 - 5
часов.
Значительным достижением в совершенствовании технологии окисления
кремния явилось добавление в окислительную среду в процессе окисления
хлорсодержащих компонентов. Это привело к улучшению стабильности
порогового напряжения полевых МДП транзисторов, увеличению напряжения
пробоя диэлектриков и повышению скорости окисления кремния. Главная роль
хлора в пленках двуокиси кремния (обычно с концентрацией хлора 1016- 1020 см3) заключается в превращении случайно проникших в SiO2 примесных ионов
натрия или калия в электрически неактивные.
Модель Дила-Гроува. Методом радиоактивного маркера показано, что рост
SiO2происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния.Выход
SiO2 за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их
разными плотностями.
Для теоретического обоснования было предложено множество моделей,
основанных на объемной диффузии заряженных частиц или нейтральных пар, а
также эффектах туннелирования электронов, кинетике адсорбции, образования
пространственного заряда, изменении граничных концентраций диффундирующих
частиц в зависимости от толщины пленки и многих других.
70
Рис 26. Модель Дила-Гроува
К сожалению, ни один из указанных механизмов не способен полностью
объяснить обширный класс имеющихся к настоящему времени экспериментальных
данных. Что касается получения пленок двуокиси кремния, то кинетику ее роста в
широком диапазоне толщин SiO2 можно объяснить, исходя из достаточно
простой модели Дила-Гроува (см. рис. 26).
Рис 27. Процесс окисления.
Процесс окисления происходит на границе Si - SiO2, поэтому молекулы
окислителя диффундируют через все предварительно сформированные слои окисла
и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе. Согласно закону
Генри, равновесная концентрация твердой фазы прямо пропорциональна
парциальному давлению газа P:
C* = HP, где
C*- максимальная концентрация окислителя в газе для данного значения
давления P, H - постоянный коэффициент Генри.
В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого
тела меньше, чем C*.
Поток F1 определяется разностью между максимальной и реальной
поверхностной концентраций окислителя:
F1 = h(C* - C0), где
C0 - поверхностная концентрация окислителя, h - коэффициент переноса.
Значение концентрации окислителя C0 зависит от температуры, скорости
газового потока и растворимости окислителя в SiO2.
Для того чтобы определить скорость роста окисла, рассмотрим потоки
окислителя в объеме окисла F2и на его границе с кремнием F3. Согласно закону
Фика, поток через объем окисла определяется градиентом концентрации
окислителя:
F2 = - D(dC/dz) = D(C0 - Ci)/z0,
(1)
где Ci - концентрация окислителя в молекулах на кубический сантиметр при
z = z0, D - коэффициент диффузии при данной температуре, z0 - толщина окисла.
Величина потока F3 на границе окисла с полупроводником зависит от
постоянной K скорости поверхностной реакции и определяется как:
71
F3= kCi
(2)
При стационарных условиях эти потоки равны, так что F3 = F2 = F1 =
F. Следовательно, приравняв соотношения (1) и (2), можно выразить
величины Ci и C0 через C*:
(3)
Для того чтобы определить скорость роста окисла, представим поток F3 как
изменение числа молекул в слое dz0 за время dt. Тогда уравнение потока на
границе SiO2 - Si будет иметь следующий вид:
(4)
Скорость роста окисла определяется потоком F3 и количеством молекул
окислителя Ni , входящих в единичный объем окисла. Поскольку концентрация
молекул SiO2 в окисле равна 2.2*1022 см-3, то для получения двуокиси кремния
требуется такая же концентрация молекул кислорода или в два раза большая
концентрация молекул воды.
Соотношение между величинами z0 и t определяется интегралом вида
72
Тема 2.2.2 Типовые технологические процессы изготовления МОП и
биполярных транзисторов.
Основы технологии производства n- МОП СБИС
Транзистор на основе структуры металл - диэлектрик - полупроводник
(МОП) является одним из наиболее широко используемых элементов СБИС.
Первый транзистор, работающий на эффекте поля, был продемонстрирован в 1960
году. Сначала полевые транзисторы с двуокисью кремния в качестве
подзатворного диэлектрика формировались на подложке n- типа проводимости.
Затем из-за большей подвижности электронов, чем у дырок при формировании
сверхбольших быстродействующих интегральных схем стали использовать nканальные транзисторы, формируемые на p- подложке.
Рассмотрим основные технологические этапы производства n- МОП СБИС
на примере создания логического вентиля И - НЕ с двумя входами.
Принципиальная схема вентиля (инвертора) приведена на рисунке 28.
Рис 28. Принципиальная схема вентиля (инвертора)
Схема состоит из последовательно соединенных двух транзисторов,
работающих в режиме обогащения (нормально закрытых) и одного транзистора,
работающего в режиме обеднения (нормально открытый). Все транзисторы
располагаются между шиной источника питания Vdd и заземляющей шиной Vss.
Затворы первых двух транзисторов служат входами схемы, а затвор третьего
транзистора, соединенный с истоком второго, является выходом инвертора.
Нормально открытый транзистор служит источником тока для двух остальных.
Выходное напряжение имеет низкое значение (логический нуль) только в том
случае, когда оба первых транзистора открыты, т.е. на их затворы подан высокий
потенциал - логическая единица.
Подложка.
В качестве подложки выбирают кремний p- типа проводимости легированный
бором КДБ (100) с концентрацией примеси 1015 - 1016 см-3. Выбор такой
концентрации обусловлен несколькими причинами. С одной стороны уменьшение
содержания примеси приводит к снижению чувствительности порогового
73
напряжения к напряжению смещения на подложке и уменьшению емкости p-n
переходов, приводя к увеличению быстродействия транзистора. С другой стороны
возрастает концентрация неосновных носителей, вызывающих рост тока утечки
через обратно смещенный p-n переход, что может привести к соприкосновению
областей пространственного заряда стока и истока транзистора (прокол). Одним из
вариантов решения этого противоречия является выращивание слаболегированных
эпитаксиальных кремниевых слоев на сильнолегированной подложке, имеющей
малую
концентрацию
неосновных
носителей.
Ориентация кремниевой подложки (100) имеет преимущество по сравнению с
(111), заключающееся с более высокой подвижности электронов, обусловленной
низкой плотностью поверхностных состояний на границе кремний-диэлектрик.
Этапы технологического процесса
1 этап.
Рис 29. Ионная имплантация бора для создания изоляции между
транзисторами с помощью p-n переходов.
На поверхность кремниевой подложки наносятся промежуточный слой
термической двуокиси кремния и слой нитрида кремния, играющий роль маски
при последующем локальном окислении кремния. Далее с помощью процесса
литографии на поверхности вытравливаются окна, в которые осуществляется
ионная имплантация бора. Иногда имплантацию осуществляют через слой окисла
для уменьшения концентрации примеси в подложке и глубины ее проникновения.
2 этап.
Рис 30.Ионное легирование
74
На этом этапе проводятся следующие технологические операции: - локальное
окисление кремния (ЛОКОС процесс) - формирование подзатворного окисла
(после удаления промежуточных слоев двуокиси и нитрида кремния) имплантация бора для регулировки порогового напряжения нормально закрытых
транзисторов - формирование окна под скрытый контакт.
3 этап.
Рис 31. Ионное легирование мышьяка.
На данном этапе проводится ионная имплантация мышьяка для
формирования канала нормально открытого транзистора. Использование мышьяка
вместо фосфора обусловлено меньшей его глубиной в полупроводниковую
подложку.
4 этап.
Рис 32. Ионное легирование мышьяком (большая доза)
Проводится нанесение поликристаллического кремния с его последующим
легированием мышьяком. Поликремнийвыполняет роль будущих затворов,
предотвращает p- каналы от дальнейшей перекомпенсации акцепторной примеси
мышьяком и служит материалом для последующего соединения стока и затвора
нормально открытого транзистора. На этом этапе достигается самосовмещение
стоков, истоков и затворов.
5 этап.
75
Рис 33. Заключительный этап формирования.
Заключительный этап формирования схемы. На нем осуществляются:
- литография под металлизацию к стокам и истокам транзисторов
- нанесение фосфосиликатного стекла (ФСС). ФСС предотвращает диффузию
ионов натрия, сглаживает рельеф поверхности, производит дополнительную
активацию
примеси.
- формируется пассивирующий диэлектрический слой (окисел или
плазмохимический нитрид кремния).
Основы технологии производства биполярных ИС
Биполярные
интегральные
схемы
в
основном
применяются в
быстродействующих запоминающих устройствах и логических схемах,
используемых в вычислительных системах. В настоящее время биполярные
приборы получили свое развитие в интегральной инжекционной логике И2Л,
используемой в логических схемах малой мощности и высокой степенью
интеграции.
Рассмотрим основные технологические этапы производства биполярных ИС
на
примере
создания
n-p-n
транзистора.
1 этап. В качестве исходного материала используют слаболегированные подложки
p- типа, ориентированные по плоскостям (100) или (111). На подложке
формируются скрытый низкоомный слой n+ кремния, предназначенный для
уменьшения сопротивления коллектора и, следовательно, уменьшающий
рассеиваемую в нем мощность, и низкоомный n- слой эпитаксиального кремния,
задающий достаточно высокое напряжение пробоя коллектор - база (см. рис. 1).
76
Рис 34. Формирование скрытого слоя.
Для реализации этого проводят следующие технологические операции:
окисление кремниевой подложки, используемой в качестве маскирующего
слоя для диффузии скрытых слоев,
вскрытие контактных окон,
ионная имплантация мышьяка или сурьмы в контактные окна для
формирования скрытого n - слоя,
термический отжиг для разгонки легирующей примеси в глубь кремниевой
подложки (отжиг проводят в окисляющей атмосфере). При этом вследствие
разницы в скоростях окисления незащищенной поверхности скрытого слоя и
окружающей его окисленной поверхности подложки по периметру скрытого слоя
образуется ступенька, т. е. этот слой несколько заглублен по отношению к
остальной поверхности. Ступенька используется в дальнейших технологических
операциях в качестве метки совмещения), удаление окисла со всей поверхности
подложки, нанесение эпитаксиального n- слоя кремния.
Рис 35. Этап 2
На 2 этапе производства ИС (см. рис. 35) на поверхности кремния
формируют двухслойный диэлектрик, состоящий из двуокиси и нитрида кремния.
Слой Si3N4 толщиной 100 нм является маской при последующем окислении
кремния, а SiO2 толщиной 50 нм служит для минимизации числа дефектов в
кремнии (уменьшает величину механических напряжений и защищает поверхность
полупроводника).
Затем проводят фотолитографию для определения положения изолирующих
областей транзистора.
77
Рис 36 Этап 3.
На 3 этапе (см. рис. 36) поверхность, не защищенную фоторезистом,
подвергают травлению, удаляя при этом двухслойный диэлектрик и частично эпитаксиальный слой. На этом же этапе проводят ионную имплантацию бора в
протравленные участки для формирования областей, ограничивающих
распространение канала и по ЛОКОС технологии формируют слои изолирующего
окисла. Увеличение уровня легирования p- подложки под изолирующим окислом
предотвращает инверсию типа проводимости поверхности полупроводника и,
следовательно, возможное установление электрической связи между скрытыми
слоями соседних приборов.
Рис 37.Этап 4
4 этап. После удаления фоторезиста подложки подвергаются термическому
окислению до тех пор, пока весь эпитаксиальный слой, не защищенный пленкой
Si3N4, не проокислится (см. рис. 4). Затем слой нитрида кремния селективно
удаляют с сохранением слоя двуокиси кремния.
Далее на поверхность наносится фоторезист и осуществляется ионная
имплантация бора для формирования области базы. Начиная с этого этапа,
высокотемпературные или длительные отжиги не производят для избежания
разгонки мелких p-n переходов, необходимых при производстве СБИС, на большие
глубины. Имплантация проводится через пленку окисла, поэтому процесс
каналирования ионов примеси ослабевает и исчезает необходимость в проведении
последующего после имплантационного отжига в окисляющей атмосфере.
Рис 38. Этап 5.
78
5 этап производства - формирование контактных окон к областям эмиттера,
коллектора и базы, которые могут быть вскрыты одновременно с помощью одного
шаблона (см. рис. 5). В этом варианте формирования ИС разделение между
эмиттерным и базовым контактами определяется заданным минимальным
расстоянием между металлическими контактами, а не этапом совмещения, что
определяет относительно малую площадь, занимаемую транзистором, и,
следовательно, снижает сопротивление базы.
Рис 39.Этап 6.
На 6 этапе (см. рис. 39) формируют эмиттер и высоколегированную область
коллектора. Заметим, что подвергаемая ионной имплантации площадь эмиттера
определяется размером вскрытого в окисле окна. Легирование осуществляется
низкоэнергетичными ионами мышьяка для уменьшения глубины их
проникновения
в
полупроводник.
После ионной имплантации примесь разгоняют на желаемую глубину в почти
инертной атмосфере. Образующуюся при этом над контактными областями
эмиттера и коллектора окисную пленку удаляют в разбавленном растворе HF.
Далее на поверхность подложки наносят слой Si3N4, защищающий
поверхность прибора от попадания подвижных ионов натрия. Для формирования
контактов в нитриде кремния впоследствии вскрываются окна. Процесс вскрытия
окон осуществляют с использованием еще одного процесса фотолитографии или с
применением
самосовмещения.
В
последнем
варианте
проводят
электрохимическое травление нитрида кремния. В местах контакта с кремнием он
путем анодирования превращается в двуокись кремния, стравливаемую
впоследствии в плавиковой кислоте, а в местах контакта с SiO2 остается
неизменным.
79
Рис 40. Заключительный этап.
На заключительном этапе (см. рис. 7) проводится металлизация и покрытие
прибора слоем фосфосиликатного стекла. В качестве контактного слоя при
металлизации обычно используют PtSi, а верхний слой металлизации формируют
из TiPtAu.
Тема 2.3.1 Печатные платы, методы получения печатных проводников.
Технология изготовления печатных плат
Печатная плата (ПП) - изделие, состоящее из плоского изоляционного
основания с отверстиями, пазами, вырезами и системой токопроводящих полосок
металла (проводников), которое используют для установки и коммутации ИМС и
ЭРЭ и функциональных узлов в соответствии с электрической принципиальной
схемой. Практически нет такой аппаратуры, где бы не использовались ПП какоголибо типа.
Печатный монтаж — способ монтажа, при котором электрическое соединение элементов электронного узла, включая экраны, выполнено с помощью
печатных проводников. Печатный проводник — проводящая полоска в
проводящем рисунке.
В ЭВМ ПП применяют практически на всех уровнях конструктивной иерархии: на нулевом — в качестве основания гибридных схем и микросборок, на
первом и последующих — в качестве основания, механически и электрически
объединяющего все элементы, входящие в схему электрическую принципиальную
ЭВМ и ее узлов. На рис. 1 в качестве примера приведен общий вид ПП одного из
узлов ЭВМ.
Рис. 41. Печатная плата узла ЭВМ:
1 — крепежные отверстия; 2 — монтажные отверстия; 3 — концевые
печатные контакты;
4 — маркировка печатной платы; 5 — ориентирующий паз; 6 — печатные
проводники
Типы ПП:
односторонняя печатная плата (ОПП) — ПП, на одной стороне которой
выполнен проводящий рисунок (рис. 8.2, а);
двусторонняя печатная плата (ДПП) — ПП, на обеих сторонах которой
выполнены проводящие рисунки и все требуемые соединения (рис. 8.2,6)\
многослойная печатная плата (МПП) — ПП, состоящая из чередующихся
80
слоев изоляционного материала с проводящими рисунками на двух или более
слоях, между которыми выполнены требуемые соединения (рис. 8.2, в);
гибкая печатная плата (ГПП) — ПП, имеющая гибкое основание;
Конструктивные характеристики печатных плат
По точности выполнения печатных элементов конструкции (проводников,
контактных площадок и пр.) все ПП делят на пять классов (табл. 8.1): отличающиеся наименьшим номинальным размером в узком месте — участок ПП,
где элементы печатного проводящего рисунка и расстояния между ними должны
быть выполнены только с минимально допустимыми значениями; 1-й и 2-й классы
ПП применяют в случае малой насыщенности поверхности ПП ЭРЭ и ИМС малой
степени интеграции; 3-й класс ПП — для ИМС со штыревыми, планарными
выводами и поверхностно- монтируемыми компонентами (ПМК) при средней и
высокой насыщенности поверхности ПП элементами; 4-й класс ПП — при высокой
насыщенности поверхности ПП корпусированными, бескорпусными ИМС и ПМК;
5-й класс ПП — при очень высокой насыщенности поверхности ПП корпусированными, бескорпусными ИМС и ПМК. Для поверхностного монтажа используют
в основном 4-й и 5-й классы точности ПП.
Рис. 42. Печатные проводники и контактные площадки
Ширину печатных проводников (рис. 8.3) рассчитывают и выбирают в
зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего
материала, температуры окружающей среды при эксплуатации. Края проводников
должны быть ровными, проводники — без вздутий, отслоений, разрывов,
протравов, пор, крупнозернистости и трещин, так как эти дефекты влияют на
сопротивление проводников, плотность тока, волновое сопротивление и скорость
распространения сигналов.
Координатная сетка чертежа ПП определяет место расположения соединений
ИМС и ЭРЭ с ПП. В узлах пересечений сетки располагаются монтажные и
переходные отверстия (рис. 8.4). Шаг координатной сетки гарантирует
совместимость ПП, изделий электронной техники (ИЭТ), квантовой электроники,
ЭРЭ, электротехнических и других изделий, которые монтируют в узлах
координатной сетки на ПП. Основной шаг координатной сетки равен 0,5 мм в
обоих направлениях. Если этот шаг не удовлетворяет требованиям конкретной
конструкции, применяется шаг 0,05 мм. Предпочтительными являются следующие
шаги: п • 0,05 мм, где п = 5, 10, 15, 20, 25 и п • 0,50 мм, где п = 1, 2, 5, 6, 10.
Допустимыми шагами координатной сетки являются дюймовые шаги, которые
применяют в конструкции ПП, использующих ИМС с шагом, кратным 2,54 мм.
Диаметры монтажных и переходных отверстий (металлизированных и
неметаллизированных) должны соответствовать стандарту и выбираться из ряда
0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4;
2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0. Монтажные отверстия предназначены для установки ИМС и
81
ЭРЭ, а переходные отверстия — для электрической связи между слоями или
сторонами ПП.
В качестве основания печатных плат используют базовые материалы:
фольгированные и нефольгированные диэлектрики (гетинакс, текстолит,
стеклотекстолит, стеклоткань, лавсан, полиимид, фторопласт и др.), керамические
материалы, металлические пластины и изоляционный прокладочный материал
(препрег). При выборе материала основания ПП необходимо обратить внимание на
следующее: предполагаемые механические воздействия (вибрации, удары,
линейное ускорение и т. п.); класс точности ПП; реализуемые электрические
функции; быстродействие; условия эксплуатации; стоимость.
Таблица. 6. Материалы ОПП и ДПП
Материал
Марка Толщина,
мм
Гетинакс
фольгированный
ГФ-1-35 1,0; 1,5; 2,0; Диэлектрик ДФО-1 0,06; 0,08;
2,5; 3,0
фольгиДФО-2 0,1; 0,13;
рованный
(фольга 0,15; 0,20;
общего
35 мкм) 0,25; 0,3;
назначения с ДФС-1 0,4; 0,5; 0,8;
гальваДФС-2 1,0; 1,5; 2,0
ностойкой (фольга
фольгой
20 мкм)
ГФ-1Диэлектрик
35Г
фольгиГФ-2рованный
35Г
самозатуГФ-1хающий с
50Г
гальваноГФ-2стойкой
50Г
фольгой
СФ-10,5; 1,0; 1,5; Стеклотексто
СФПН- 0,5; 1,0; 1,5;
35
2,0; 2,5; 3,0 лит
1-50
2,0; 2,5; 3,0
СФ-2фольгирован СФПН35
ный с
2-50
СФ-1повышенной
50
наСФ-2гревостойкос
50
тью
Стеклотексто СОНФ-1 0,13...3,0
лит
СОНФ-2 0,35...3,0
фольгирован
ный общего
СТФ-1- 0,08; 0,1;
Гетинакс
назначения ГОФ-1- —
35
0,13; 0,15;
фоль35Г
СТФ-2- 0,2; 0,25; 0,3; гированный ГОФ-235
0,35; 0,5; 0,8; общего
Стеклотексто 35Г
СТЭК 1,0; 1,5
СТФ-1- 1; 1,5;
назначения
лит с
18
двусторонни
СТФ-2м ад18
гезионным
Гетинакс
фольгированный с
гальваностойкой
фольгой
Стеклотекстолит
фольгированный
То же с
гальваностойкой
фольгой
Стеклотекстолит
теплостойкий
фольгированный с
гальваностойкой
фольгой
Материал
Марка
Толщина,
мм
82
Стеклотекстолит
теплостойкий
негорючий фольгированный с
гальваностойкой
Стеклотекстолит
фольгой
листовой
СТНФ- 2; 2,5; 3
1-35
СТНФ2-35
СТНФСТЭФ- 1; 2
1-18
1СТНФ2J1K
2-18
СТЭФВК1-1,5
Стеклотексто СТПА- 0,1; 0,12;
лит
5-1
0,13; 0,15;
теплостойкий СТПА- 0,2; 0,25;
,
5-2
0,3; 0,35;
армированны
1,0; 1,5;
Стеклотексто (фольга
СТАМ 0,5;
0,7—2,0
й
5 мкм) 2,0
лит с
алюминиевы
катализаторо
м
Стеклотекстолит
Фольгирован
ФАФ- —
м
протектором
электротехниче
ный
4Д
ский
армированны (фольга
й
35 мкм)
Стеклотестолит
СТФТ- 0,5; 1,0; 1,5; Стеклотексто
фторопласт СТАЛ 0,08...3,0
фольгированный
1-35
2,0; 2,5; 3,0 лит
(фольга
теплостойкий
СТФТтеплостойкий 5,18,
2-35
35,50,70
СТФТи 100
1-50
мкм на
СТФТмедном
2-50
или
алюмин и нефольгиОсновные требования, предъявляемые к фольгированным
рованным диэлектрикам это: высокое поверхностное, Ом,иевом
и удельное объемное
протексопротивление, Ом • м, характеризующие величину тока утечки; высокая
торе) диэлектрической
электрическая прочность изоляции, низкие значения
проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь — для передачи
высокочастотных сигналов и снижения тепловыделения, обусловленного
диэлектрическими потерями; высокая механическая прочность; высокая
теплоустойчивость и стабильность линейных размеров по осям X, Y и Z при
повышенной температуре, зависящая от температуры стеклования Tg;
теплоустойчивости и теплопроводности базового материала, так как при пайке
происходит значительное расширение стеклопластиков, эпоксидной смолы и
других полимеров по оси Z, что может привести к расслаиванию диэлектрика и
разрыву металлизации в отверстиях ПП, так как металл имеет
малое расширение по оси Z.
Необходимыми требованиями являются также хорошая механическая
обрабатываемость при резке, фрезеровании, зачистке, сверлении и других
операциях без образования сколов, трещин и расслоения диэлектрика; устойчивость к агрессивным средам (кислотам, щелочам, растворителям и пр.) в
технологических процессах изготовления ПП; хорошая прочность сцепления
(адгезия) фольги с диэлектриком, огнестойкость (для исключения опасности
возгорания ПП), негорючесть, низкое водопоглощение, низкое значение TKJTP,
совместимое с TKJ1P выводов и корпусов ЭРИ, плоскостность, особенно
необходимая для установки ПМК; низкая стоимость и др.
Фольгированные диэлектрики применяют в субтрактивных методах изготовления ПП, нефольгированные — в аддитивном и полуаддитивном. Толщина
медной фольги фольгированных диэлектриков может быть 5, 9, 12,
35, 50, 70, 100 мкм.
83
Таблица 7. Материалы МПП
Толщина, мм
Материал
Марка
Фольгированный
травящийся
стеклотекстолит
(гальваностойкая
фольга)
Фольгированный
диэлектрик для
микроэлектронной
аппаратуры
ФТС-1-18А ФТС-2-18А
ФТС-1-35А ФТС-2-35А
ФТС-2-35-Б
0,1; 0,12; 0,14;
0,15; 0,18; 0,19;
0,23; 0,27; 0,5
ФДМЭ-1А ФДМЭ-2А
ФДМЭ-2Б
0,1; 0,13; 0,16;
0,20
Диэлектрик
фольгированный
тонкий
ФДМ-1А ФДМ-2А ФДМ- 0,15; 0,20; 0,23;
2Б
0,25; 0,30; 0,35
Стеклотекстолит
теплостойкий
фольгированный
СТФ-1-35 СТФ-2-35
СТФ-1-18 СТФ-2-18
Диэлектрик
фольгированный
общего назначения
Диэлектрик
фольгированный
самозатухающий
Стеклотекстолит
теплостойкий
негорючий фольгированный
Стеклотекстолит
теплостойкий,
армированный
алюминиевым
протектором
Полиимид
фольгированный
Стеклоткань
прокладочная
Стеклоткань
прокладочная
травящаяся
Стеклотекстолит
фольгированный с
повышенной нагревостойкостью
0,08; 0,1; 0,13;
0,15; 0,2; 0,25; 0,3;
0,35; 0,5; 0,8; 1,0;
1,5; 2,0; 2,5; 3,0
ДФО-1 ДФО-2 (фольга 35 0,06; 0,08; 0,1;
мкм)
0,13; 0,15; 0,2;
ДФС-1 ДФС-2 (фольга 20 0,25; 0,3; 0,4; 0,5;
0,8; 1,0; 1,5; 2,0
мкм)
СТНФ-1-35 СТНФ-2-35
СТНФ-1-18 СТНФ-2-18
СТПА-5-1 СТПА-5-2
(фольга 5 мкм)
ПФ-1, ПФ-2 (фольга 35
мкм)
СП-4-0,025 СП-4-0,06
СП-4-0,1
0,08; 0,1; 0,13;
0,15; 0,2; 0,25; 0,3;
0,35; 0,5; 0,8; 1,0;
1,5; 2,0; 2,5; 3,0
0,1; 0,12; 0,13;
0,15; 0,2; 0,25
0,05; 0,1
0,025; 0,06; 0,1
СПТ-3-0,025 СПТ-3-0,06
СПТ-3-0,1
СФВН
0,1...2,0
Изготовление оригиналов и фотошаблонов
Оригиналы и фотошаблоны являются важнейшим инструментом при
изготовлении печатного рисунка всех типов плат. Оригиналом рисунка ПП
называют изображение рисунка ПП, выполненное с необходимой точностью в
заданном масштабе. Фотошаблоном (ФШ) рисунка ПП называют пластину (из
84
стекла или полимера) с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения
участками. Фотошаблон — основной инструмент для получения рисунка на
поверхности печатной платы или отдельного ее слоя. Пример фотошаблона
приведен на рис. 8.8.
Комплектом фотошаблонов называют то количество фотошаблонов,
совмещающихся между собой, которое необходимо и достаточно для изготовления
ПП определенного типа и наименования.
Оригинал рисунка ПП служит исходным документом для получения
эталонных и рабочих фотошаблонов, необходимых для создания рисунка
токопроводящих участков на ПП. Основной проблемой при производстве
фотошаблонов (эталонных и рабочих) является обеспечение точности и
метрической стабильности основных размеров рисунка под воздействием внешних
факторов.
Основные критерии оценки качества рабочего фотошаблона — отсутствие
фотографической вуали; достаточная плотность черного фона; высокая резкость
края изображения.
В качестве фотоматериалов применяют фотографические пластинки;
фототехнические пленки; диазоматериалы (диазопластинки и диазопленки),
чувствительные к ультрафиолетовому излучению; бессеребряные светочувствительные материалы. Время экспонирования выбирают опытным путем в
зависимости от светочувствительности фотоматериала, освещенности источника
светового излучения, спектральной чувствительности диазоматериалов, спектра
источника излучения.
Для получения группового фотошаблона, на котором выполняют рисунок
топологии двух и более ПП, применяют операцию мультиплицирования —
повторение экспонирования рисунка оригинала на всей поверхности фотоматериала.
После экспонирования и мультиплицирования осуществляется химикофотографическая обработка фотоматериала, контроль полученного фотошаблона,
ретуширование — удаление дефектов.
Широко распространен метод получения фотошаблонов на лазерных растровых генераторах изображений (фотоплоттерах) сканированием лазерного пятна
по поверхности пленок или стеклянных пластин и испарением маскирующего
покрытия или засветки фотоматериала в соответствии с рисунком ПП. Программу
перемещения лазерного пятна получают при проектировании (трассировке) ПП по
программе. В фотоплоттере имеется библиотека часто повторяющихся в
топологических чертежах элементов и узлов, использование которых значительно
облегчает изготовление фотошаблонов. Лазерная система фотоплоттера,
содержащая лазер, акустооптический генератор, многогранную призму и
фокусирующий объектив, формирует лазерное пятно постоянного размера, которое
сканирует по рабочему полю заготовки.
Формирование растрового изображения рисунка (оригинала) в фотоплоттере
вне зависимости от сложности рисунка происходит с высокой скоростью в течение
нескольких минут. Тиражирование ФШ проводится без использования методов
контактной печати с высокой точностью. Работа фотоплоттеров поддерживается
входными и выходными форматами Gerber; PLT (САПР PCAD); BRD (САПР
МПП); Autocad. Это позволяет:получать фотошаблоны и программы сверления,
представленные в различных форматах;получать фотошаблоны и программы
85
сверления с цифрового планшета;просматривать и редактировать ФШ и
программы сверления;
автоматически генерировать по ФШ программы сверления; выводить
оптимизированные ФШ и программы сверления в различных выходных форматах;
Прямая запись шаблонов ПП осуществляется в лазерных растровых
плоттерах, реализуя термический способ записи изображения шаблона лучом
волоконного лазера с полупроводниковой накачкой с управляющего компьютера
на термочувствительную пленку с тонким черным нефоточув-ствительным
покрытием толщиной 5 мкм, селективно удаляемым лазер Технологические
процессы изготовления печатных плат
Для изготовления элементов проводящего рисунка ПП применяются две
технологии: субтрактивная и аддитивная (рис. 8.11). Субтрактивный процесс —
получение проводящих рисунков путем избирательного травления участков фольги
с пробельных мест. Аддитивный процесс — получение проводящего рисунка
путем избирательного осаждения проводникового материала на нефольгированный
материал основания.
Односторонние печатные платы (ОПП), отличающиеся простотой и низкой
стоимостью изготовления, изготавливаются по 1-, 2- и 3-му классам точности.
Технологическое ограничение ширины проводников в таких платах составляет 0,25
мм, отверстий — 0,8 мм. Основными технологическими процессами изготовления
таких плат являются химический негативный (табл. ) и химический позитивный
(табл. ).
В случае использования нефольгированного жесткого основания схему
техпроцесса изготовления ОПП можно представить в виде таблицы.
Двусторонние печатные платы (ДПП) применяют практически во всех видах
ЭА. ДПП 1-, 2- и 3-го классов точности изготавливают в мелкосерийном, серийном
и крупносерийном производстве, 4- и 5-го — в серийном,
Аддитивный
Субтрактивный
Получение
заготовки из
одностороннего
фильтрованного
диэлектрика
Получение
заготовки
из
нефольгированног
о материала
Сверление
отверстий
Травление меди с
пробельных мест
Нанесение
защитного рельефа
схемы (маски)
Удаление
маски
Толстослойн
ое
химическое
меднение
Пробивка
отверстий
Удаление
маски
Нанесение защитного рельефа схемы (маски)
86
Рис. 43. Методы изготовления проводящих слоев печатных ом.
Таблица 7. Основные операции химического позитивного метода
№
Основные этапы ТП
1
Входной контроль диэлектрика
2
Раскрой материала
3
Получение заготовок и базовых отверстий
4
Подготовка поверхности
5
Получение защитного рельефа на пробельных
участках
6
Нанесение металлорезиста на проводники
7
8
Удаление защитного рельефа
Травление меди
Сверление или пробивка отверстий
Вырубка по контуру и получение крепежных
отверстий
Для рельефа (изображения) рисунка схемы используют пластичные сухие
пленочные
фоторезисты
толщиной
40...50
мкм.
Образованные
фоторезистомзавески
защищают
металлизированные
отверстия
от
воздействующего под давлением (1,62...2,02) • 105 Па травящего раствора в
процессе струйного травления ПП. Поэтому для сохранения целостности завесок и
исключения их попадания в отверстия применяют фоторезисты толщиной не менее
.50 мкм. Травление рисунка проводится в кислых растворах хлорида меди,
что облегчает их регенерацию и утилизацию. Для изготовления ДПП и слоев МПП
используют двусторонние фольгированные диэлектрики с толщиной медной
фольги не более 18 мкм. Для обеспечения надежной защиты отверстий диаметр
контактной площадки выполняют в 1,4 раза больше диаметра
отверстия, а минимальный поясок контактной площадки (ширина между
краем контактной площадки и отверстием) должен быть не менее 0,1 мм.
Основными преимуществами тентинг-метода являются: сравнительно небольшая продолжительность технологического цикла; в нем не используются
щелочные медно-хлоридные травильные растворы, содержащие аммонийные
соединения, затрудняющие обработку сточных вод; улучшенные экологические
показатели производства и экономичность технологического процесса.
Многослойные печатные платы (МПП) состоят из нескольких сигнальных
слоев, разделенных изоляционными прокладками и при необходимости слоями
электропитания и экранирующими слоями . Вследствие высокой плотности
размещения печатных проводников МПП обладают высокой трассировочной
способностью. К достоинствам применения МПП можно отнести возможность
передачи наносекундных сигналов без существенных искажений и потерь,
высокую устойчивость к внешним воздействиям, снижение количества внешних
контактов. Следует отметить и недостатки МПП: высокая стоимость, повышенная
трудоемкость проектирования и изготовления, высокие требования к исходным
материалам и точности изготовления печатных проводников и переходных
отверстий и т. д.
9
10
87
Таблица 8 Основные этапы ТП изготовления МПП методом металлизации
сквозных отверстий
№
Основные этапы ТП
Возможные способы
Эскизы этапа
получения
Изготовление слоев (пп.
1—12)
1 Входной контроль
диэлектрика
2 Получение заготовок слоев 1. Штамповка
См. табл. 8.10, п.
2
2. Резка
3 Получение базовых и тех- 1. Штамповка
нологических отверстий 2. Сверление
4 Получение переходных
См. табл. 8.10, п.
1. Лазер
4
отверстий
2. Сверление
5 Подготовка поверхности 1.
Химический
слоев
способ
6 Предварительная метал- 2.
пемзового См. табл. 8.10, п.
1. Суспензия
Магнетронное
5
абразива
лизация
напыление
2. Химическое меднение
7 Получение
защитного 1.СГ
3...5 мкм
рельефа
2.0фсетная печать 3.
ФХ:
8 Электрохимическая
Гальваническое
СПФ
металлизация
меднение
органопроявляемый
СПФ
9 Травление
меди
с щелочепроявляемый
пробельных мест
10 Удаление
рельефа
11 Подготовка
слоев
защитного
поверхности 1. Подтравливание
2. Оксидирование
3. Суспензия пемзового
абразива
12 Сушка
1. Термическая
2. В
13 Прессование слоев
инертной среде
1. Гидравлическое
2. Гидравлическое
Слой МПП
с
вакуумированием
3. Вакуумное
автоклавное
14 Сверление и подготовка 1. Гидроабразивная обсквозных отверстий
работка и подтравливание
диэлектрика
в
отверстиях
2. Промывка водной сус-
88
15 Предварительная
таллизация
ме- 1. Магнетронное напы- См. табл. 8.10, п.
ление
5
2. Химическое меднение
Далее см. табл. 8.10, начиная с п.3..5
7 мкм
3. Химико-гальваниШирокое применение в ЭА нашли методы: металлизации сквозных отверческое меднение
стий, открытых контактных площадок, попарного прессования, послойного
наращивания рисунка и МПП с выступающими выводами. Название эти виды
МПП получили соответственно технологическим методам изготовления.
Базовым технологическим процессом изготовления МПП является метод
металлизации сквозных отверстий.
Рис. 44. МПП, изготовленная методом попарного прессования
При изготовлении МПП методом попарного прессования (рис. 4) сначала
получают две двусторонние ПП с металлизированными отверстиями, затем их
прессуют вместе с размещенной между ними изоляционной прокладкой.
Рис 45. МПП
Полученный пакет сверлят, полученные отверстия очищают, затем металлизируют. Таким образом осуществляют электрические соединения между
наружными слоями. К недостаткам этого метода изготовления МПП можно
отнести длительный технологический цикл последовательного выполнения
операций, большое количество химико-гальванических операций.
Тема 2.3.2 Методы выполнения электрических соединений. Пайка, сварка,
разъёмные и неразъёмные соединения
Пайка. Групповые методы пайки
Традиционная техника пайки волной припоя выполняется чаще всего
погружением компонента в ванну с припоем. Появление на коммутационных
платах поверхностно монтируемых компонентов ТПМК существенно изменило
технологию пайки. Пайка волной припоя (выполняется чаще всего погружением
89
компонента в ванну с припоем) была внедрена в 50-х гг. и до настоящего времени
является единственным групповым методом пайки компонентов, устанавливаемых
в отверстия коммутационных плат.
Пайка волной припоя
Пайка волной припоя применяется только для пайки компонентов в
отверстиях плат (традиционная технология), хотя некоторые изготовители
утверждают, что с ее помощью можно производить пайку поверхностно
монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых
на одной из сторон коммутационной платы.
Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются
предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем
плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические
характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для
пайки. С помощью сопла можно менять форму волны; в прежних конструкциях
установок для пайки применялись симметричные волны. В настоящее время
каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде
греческой буквы "омега", Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость
движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они
должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для
плат тоже регулируется. Некоторые установки для пайки оборудуются
дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение
количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком
прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в
расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого
воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем
самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.
Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны
которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась
волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как
конструкцией плат, так и с особенностями процесса пайки, а именно: непропаи и
отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения выводов компонента другими
компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим
контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными
продуктами разложения флюса, мешающих дозировке припоя.
Пайка двойной волной припоя
Совершенствование конструкции платы оказалось недостаточным для
достижения высокого уровня годных при традиционных способах
Рис 46. Пайка двойной волной припоя.
90
изготовления изделий с простыми компонентами, монтируемыми на
поверхность обратной стороны плат. Потребовалось изменить технологический
процесс пайки волной, внедрив вторую волну припоя. Первая волна делается
турбулентной и узкой, она исходит из сопла под большим давлением рис. 10).
Турбулентность и высокое давление потока припоя исключает
формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса.
Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые
разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью
истечения. Вторая волна обладает очищающей способностью и устраняет
перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей. Для обеспечения
эффективности пайки все параметры каждой волны должны быть регулируемыми.
Поэтому установки для пайки двойной волной должны иметь отдельные насосы,
сопла, а также блоки управления для каждой волны. Установки для пайки двойной
волной рекомендуется приобретать вместе с дешунтирующим ножом, служащим
для разрушения перемычек из припоя.
Пайка двойной волной припоя применяется в настоящее время для одного
типа коммутационных плат: с традиционными компонентами на лицевой стороне и
монтируемыми на поверхность простыми компонентами (чипами и транзисторами)
на обратной. Некоторые компоненты для ТПМК (даже пассивные) могут быть
повреждены при погружении в припой во время пайки. Поэтому важно учитывать
их термостойкость. Если пайка двойной волной применяется для монтажа плат с
установленными на их поверхности компонентами сложной структуры,
необходимы некоторые предосторожности:
применять поверхностно монтируемые ИС, не чувствительные к тепловому
воздействию;
снизить скорость транспортера;
проектировать коммутационную плату таким образом, чтобы исключить
эффект затенения.
Хорошо разнесенные, не загораживающие друг друга компоненты
способствуют попаданию припоя на каждый требуемый участок платы, но при
этом снижается плотность монтажа. При высокой плотности монтажа, которую
позволяет реализовать ТПМК, с помощью данного метода практически
невозможно
пропаять
поверхностно
монтируемые
компоненты
с
четырехсторонней разводкой выводов (например, кристаллоносители с выводами).
Чтобы уменьшить эффект затенения, прямоугольные чипы следует размещать
перпендикулярно направлению движения волны.
Пайка расплавлением дозированного припоя с инфрокрасным (ИК)
нагревом
Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки с
ИК-нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое
преимущество перед теплопередачей за счет теплопроводности и конвекции в
описанных ранее методах, так как это единственный из механизмов теплопередачи,
обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого
устройства. Остальные механизмы теплопередачи обеспечивают передачу
тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки в
91
ПГФ, в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулируется
изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с
коммутационными платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и
платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок.
Основным недостатком пайки с ИК-нагревом является то, что количество энергии
излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей
способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев
осуществляется неравномерно в пределах монтируемого устройства. Пайка
кристаллоносителей без выводов или с J-образными выводами может оказаться
невозможной в установках с ИК-нагревом, если компонент непрозрачен для ИКизлучения.
В некоторых установках для пайки с ИК-нагревом вместо ламп ИКизлучения применяются панельные излучающие системы. В этом случае излучение
имеет намного большую длину волны, чем излучение традиционных источников.
Излучение такой излучающей системы не нагревает непосредственно микросборку,
а поглощается технологической средой, которая в свою очередь передает тепло
микросборке за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков,
присущих традиционной пайке с ИК-нагревом, таких, как неравномерный прогрев
отдельных частей микросборки и невозможность пайки компонентов в корпусах,
непрозрачных для ИК-излучения.
Технологические установки пайки ИК излучением
В зависимости от соотношения температур источника излучения и
нагреваемого объекта процессы нагрева можно разделить на термодинамически
равновесные и неравновесные. При равновесном нагреве температура нагревателя
и объекта близки друг к другу (например, нагрев в парах кипящей жидкости), при
неравновесном - значительно отличаются. На практике желательно иметь
равновесный режим нагрева, позволяющий устранить неравномерность нагрева и
другие отрицательные факторы.
Конструкция типичной установки ИК оплавления приведина на рис. 1.
Установка состоит из корпуса 1, внутри которого расположено несколько зон
нагрева, в каждой из которых поддерживается заданный тепловой режим. В первой
и второй зонах производят постепенный предварительный нагрев изделия 2 с
помощью плоских нагревателей 3. Пайку производят в третьей зоне быстрым
нагревом объекта выше температуры плавления припоя с помощью кварцевых ИК
ламп 4, затем объект охлаждают с помощью устройства 5.
92
рис 47. Инфракрасная пайка.
Печатные платы транспортируются через установку на ленточном (обычно
сетка из нержавеющей стали) конвейере 6. Режимы работы нагревателя и скорость
конвеера регулируются с помощью микропроцессорной системы 7, температурный
профиль вдоль установки отображается в графической и цифровой форме на
экране дисплея 8. Характеристики температурного профиля, т. е. значения
температур в каждой зоне , возможно изменять в широких пределах, также
возможно иметь библиотеку типовых режимов оплавления для печатных плат
различных типоразмеров.
Лазерная пайка
Лазерная пайка (пайка лучем лазера) не относится кгрупповым методом
пайки, поскольку монтаж ведется по каждому отдельному выводу либо по ряду
выводов. Однако бесконтактность приложения тепловой энергии позволяет
повысить скорость монтажа до 10 соединений в секунду и приблизиться по
производительности к пайке в паровой фазе и ИК излучением
По сравнению с другими методами лазерная пайка обладает рядом
следующих преимуществ. Во время пайки печатная плата и корпуса элементов
практически не нагреваются, что позволяет монтировать элементы,
чувствительные к тепловым воздействиям. В связи с низкой температурой пайки и
ограниченной областью приложения тепла резко снижаются температурные
механические напряжения между выводом и корпусом. Выбор материала
основания не является критическим. Кратковременные действия тепла - 20...30 мс,
резко снижаютсятолщина слоя интерметаллидов, припой имеет мелкозернистую
структуру, что положительно сказывается на надежности ПС. Установки лазерной
пайки могут быть полностью автоматизированы, при этом возможно использовать
данные САПР для печатных плат.
Возможна пайка плат с высокой плотностью компоновки элементов, с
размерами контактных площадок до 25 мкм, без образования перемычек на
соседние соединения или их повреждения.
При использовании хорошо просушенной паяльной пасты выполненные с
помощью лазерной пайки ПС не образуют шариков припоя или перемычек, в
результате чего отпадает необходимость применять паяльные маски.
При использовании лазерной пайки нет необходимости в предварительном
подогреве многослойной печатной платы, что обычно необходимо делать при
93
пайке в паровой фазе для предотвращения расслоения платы. Не требуется также
создавать какую-либо специальную газовую среду. Процесс пайки ведется в
нормальной атмосфере без применения инертных газов.
Клеевые соединения
Механизмы отверждения клеев можно классифицировать следующим образом [10]:
высыхание растворов клеящих материалов;
анаэробная реакция клеев, для которых кислород воздуха является ингибитором реакции полимеризации;
полимеризация за счет поглощения актиничного (высокоэнергетического)
облучения: ультрафиолетового, электронного потока, радиационного облучения;
анионные реакции (цианоакрилаты);
отверждение активаторами (модифицированные акрилы).
Соединение за счет растворения склеиваемых поверхностей: простой метод,
который использует составы для растворения соединяемых термопластичных
частей. Пример типичного в применении соединения — склеивание полихлорвиниловых трубок с термопластичными наконечниками в набор трубок. В то
время как сварка с помощью растворителей обладает рядом преимуществ, будучи
быстрым, недорогим и простым способом соединения, растворители имеют
некоторые ограничения. Так как метод основывается на растворении материалов,
то реактопласт, стекло и металл ни могут быть соединены вместе этим методом.
Большие зазоры трудно заполнить, а различные типы полимеров не могут быть
соединены друг с другом. Кроме того, передозировка при использовании
растворителя может привести к растрескиванию некоторых аморфных пластмасс.
Галогеновые растворители типа этилендихлорида и метиленхлорида могут
наносить вред окружающей среде. Некоторые растворители очень огнеопасны;
некоторые рассматриваются как потенциальные канцерогенные вещества.
Персонал, работающий с этими веществами, должен быть защищен от вдыхания
паров растворителей.
При полимеризационном склеивании клеевое соединение не имеет
вышеперечисленных недостатков. Способность соединять различные материалы,
например термопластики, термореактивные пластмассы, стекло и металл, является
важным преимуществом. Клеящие вещества хорошо заполняют зазоры и способны
формировать герметичное уплотнение между двумя поверхностями. Так как клей
является жидкостью, то он должен быть преобразован в твердое вещество
посредством процесса отверждения, например теплотой, влажностью, светом,
поверхностным инициированием или смешиванием реактивных компонентов.
Большинство клеев — реактивные полимеры. Они переходят из жидкого
состояния в твердое за счет различных реакций полимеризации (например,
эпоксидные композиции) и поликонденсации (фенолоальдегиды), отверждения за
счет соединения с атмосферной влагой (силиконы, уретаны) или кислородом
воздуха (олифы).
Термореактивные полимеры в процессе отверждения проходят три фазы:
стадия А — исходные продукты полимеризации смешаны и готовы вступить в
реакцию при нагреве. Без нагрева реакция тоже идет, но медленно. Как правило,
исходная смесь растворена в растворителях, замедляющих взаимодействие
исходных продуктов;
94
стадия В — из исходной смеси удалены растворители; продукты вступили в
реакцию полимеризации, но она находится только в начальной стадии. В этой
стадии продукты еще способны растворяться, плавиться, формоваться. Без
растворителя они представляют собой сухие продукты, способные к затариванию и
транспортировке;
стадия С — реакции полимеризации завершены и продукты более не
способны пластически менять форму, плавиться, растворяться. Продукт в стадии С
теряет способность к переработке. Его формы устойчивы. При нагреве они только
деструктируются (разрушаются, горят).
Клеи, если они поставляются в готовом виде, находятся в стадии В, и для
отверждения их подвергают нагреву или УФ-облучению.
Анаэробные клеи — это однокомпонентные материалы, которые отверждаются при комнатной температуре в условиях отсутствия контакта с
кислородом. Жидкий компонент отверждения остается неактивным до тех пор,
пока он находится в контакте с атмосферным кислородом. Если клей лишен
доступа атмосферного кислорода, например при соединении деталей, происходит
быстрое отверждение, особенно при одновременном контакте с металлом. Это
отверждение может быть представлено следующим образом: при прекращении
поступления атмосферного кислорода формируются свободные радикалы под
действием ионов металла (Cu, Fe) [10].
Назначение клеев в сборочно-монтажных процессах
Клеящие составы для поверхностного монтажа предназначены для закрепления компонентов на печатных платах. Клеи должны обладать приемлемыми
тиксотропными и реологическими свойствами, которые позволили бы производить
их нанесение на высоких скоростях (порядка 40 000 точек в час) с использованием
высокоскоростного дозирующего оборудования, исключающего загрязнение
контактных площадок, образование тянущихся нитей и пропуск точек. После
нанесения на поверхность плат клеи должны сохранять устойчивую форму в виде
точек для закрепления широкого диапазона компонентов различного размера и
массы. Требования к клеям применительно к технологиям поверхностного
монтажа:
До отверждения:
порции клея быть соизмеримы с очень малыми компонентами, такими как
0402 и 0603. Для этого они требуют строгого гранулометрического контроля,
который возможен при использовании специальной технологии смешивания,
обеспечивающей нужную дисперсию и предотвращающей закупорку наконечника
дозатора;
порции клея, не прошедшие термическую обработку, должны обладать
достаточной удерживающей способностью (прочностью неотвержденного
материала), достаточной для сохранения правильного положения больших
компонентов относительно контактных площадок;
неотвержденный клей не должен абсорбировать влагу из атмосферы. После
отверждения:
клеевое соединение должно быть достаточно прочным, чтобы удерживать
компоненты различной формы, размера и массы на различных монтажных
подложках с различными покрытиями, включая органическое защитное покрытие
(OSP);
клеи должны сохранять прочность клеевого соединения в процессе пайки
95
волной припоя, при котором температура материала может достигать 270 °С;
клеи должны обладать хорошими электроизоляционными характеристиками,
в том числе во влажной среде, для предотвращения электромиграции и коррозии,
приводящих к отказу изделий.
Место микросварки в производстве электроники
У современных изделий электроники размеры монтажных элементов
настолько малы, что образование зоны плавления, какая наблюдается в
конструкционной сварке, привело бы к их разрушению. Чтобы предотвратить
разрушение
монтажных
элементов,
микросварку
проводят
методами
квазисплавления, когда соединение металлов проходит без образования большого
литого ядра, преимущественно за счет процессов термодиффузии.
Второе принципиальное отличие монтажной микросварки от других методов
соединений (в первую очередь от конструкционной) состоит в необходимости
предотвращения нагрева электронных компонентов, особенно микросхем. Это тем
более важно в связи с увеличением количества выводов микросхем и
соответствующего уменьшения их размеров, так что зона нагрева при пайке и
сварке находится в непосредственной близости к корпусу высокоинтегрированногокомпонента.Третья особенность микросварки состоит в ее
преимуществе перед пайкой: микросварка позволяет монтировать компоненты с
очень малым зазором. Шаг выводов микросхем порядка 0,4 мм сегодня становится
обычным, а завтра ожидается 0,3 мм. Зазор между такими выводами становится
настолько малым (100...150 мкм), что при обычной пайке он может быть залит
припоем, что приведет к КЗ. В микроэлектронике такие зазоры — обычное
явление, этим обусловлено широкое использование в микроэлектронном
производстве методов микросварки. Повсеместное распространение методов
микросварки в производстве электроники затруднено из-за присущих ей серьезных
недостатков, которые заставляют совершенствовать технологию пайки, а сварку
применять в исключительных случаях.
Самый существенный недостаток микросварки состоит в затруднительности
ремонта сварного соединения. Его можно только разрушить, в то время как
демонтаж пайки выполняется повторным нагревом.
Зависимость режимов пайки от теплофизических характеристик и конструкции соединяемых элементов делает ее технологию неустойчивой (плохо
управляемой), а значит и менее надежной. Сварку нельзя использовать для
присоединения компонентов с лужеными выводами или легкоплавкими
покрытиями под пайку: слой полуды будет расплавлен раньше основного металла,
под действием электро- и термодинамических сил в зоне сварки произойдет
разбрызгивание припоя и загрязнение сварного шва продуктами его сгорания.
Но преимущества монтажной микросварки состоит в том, что она создает не
разрушающиеся при высокой температуре соединения. В конструкциях бортовой
аппаратуры такие требования возникают при создании микросборок и гибридных
интегральных микросхем, и удовлетворить их может только микросварка.
Освоение технологий СОВ — кристалл на плате и МСМ — многокристальные
модули связано с использованием микросварки как основного метода
формирования межсоединений между кристаллами микросхем и монтажной
подложкой.
Механизм образования сварного шва
96
Микросварку производят либо в жидкой фазе (сварка плавлением), либо в
твердой фазе (сварка давлением и термокомпрессией). Возможность образования
при плавлении хрупких интерметаллических соединений и ухудшение за счет
этого адгезии тонких металлических пленок к подложке ограничивает применение
микросварок с использованием нагрева до расплавления.
Ввиду малых толщин соединяемых элементов, сварка в основном выполняется без образования расплава или в режиме квазисплавления. Применение
микросварок без плавления обусловлено также большей возможностью управления
параметрами процесса, его механизации и автоматизации, высоким ка
чеством соединения. При микросварке давлением формы и размеры сварной
точки ограничены отпечатком рабочей частью инструмента.
Все методы монтажной микросварки отличаются лишь способами генерации
и введения тепловой энергии в зону соединения:
при термокомпрессионной сварке тепло поступает от нагретого инструмента
(кондуктивная теплопередача);
при контактной сварке — от тока нагрузки непосредственно в свариваемых
элементах;
при ультразвуковой — от трения на границе соединяемых поверхностей;
при газовой сварке — от пламени;
при лучевой — от поглощения энергии светового луча.
Отсутствие зоны плавления при выполнении монтажной микросварки
компенсируется обязательным присутствием процесса пластической деформации
зоны соединения. Для этого процесс микросварки организуется так, чтобы нагрев
сопровождался приложением давления.
Сварка в твердой фазе (сварка квазисплавлением) протекает в три стадии:
— физический контакт поверхностей;
— активация поверхностей за счет пластической деформации и нагрева;
— объемное взаимодействие.
На первой стадии (50 мс) вместе с образованием физического контакта
начинается выделение тепла, при этом с поверхности частично удаляются
(расползаются) окисные пленки. Свариваемые поверхности сближаются на
расстояние атомного взаимодействия.
На второй стадии (100 мс) температура достигает максимума, увеличивается
деформация, происходит активация всей поверхности соединения, точки
схватывания развиваются в пятна сварки.
Третья стадия (250 мс) — уплотнение зоны соединения, образование прочных химических связей, заканчивается слияние отдельных пятен взаимодействия
и релаксация напряжений упругопластической деформации сварного шва.
Термокомпрессионная микросварка
Термокомпрессионная микросварка — сварка давлением, при которой нагрев
соединяемых поверхностей осуществляется до перехода их в пластическое состояние с одновременным приложением давления. В результате воздействия двух
факторов — тепла и давления — возникает пластическое течение материалов, что
позволяет им сблизится на расстояние межатомного взаимодействия. Получению
прочного соединения способствует также взаимная диффузия материалов и
образования твердых растворов в тонкой приграничной области.
Термокомпрессия обеспечивает сварку плоских проводников из мягких
материалов с высокой электропроводностью (например, из меди) с тонкими
97
металлическими покрытиями на жестких диэлектрических подложках (например,
на керамике, ситалле). Применение термокомпрессионной микросварки
ограничено приемлемыми сочетаниями свариваемых материалов, например, весьма
трудно сваривать ковар, никелевые и железные сплавы. Поверхности соединяемых
элементов требуют очистки и активации путем обезжиривания, травления,
зачистки с последующей защитой от окисления.
вать максимальный срок хранения без потери его заявленных характеристик
технологичности.
Сварка термокомпрессией наиболее распространена в микроэлектронике для
соединения выводов кристалла с выводами корпуса микросхемы. В этом случае
для присоединения к кристаллу используется шариковый вывод, а присоединение
проволочки к торцу выводу осуществляется внахлест или так называемым методом
термокомпрессии клином. Для того, чтобы микросварное соединение оставалось
устойчивым после снятия внешней силы, необ- Рис. 4.7. Схема
термокомпрессионной ходимы мягкие пластичные матери- сварки с наложением
ультразвуковых коалы, так как у упругих материалов колебаний.
возникают разрушения под действием внутренних напряжений. Поэтому для
контактирования с контактными площадками кристалла применяют тонкую
золотую проволочку диаметром порядка 25 мкм или алюминиевую.
НЕПАЯНЫЕ МЕТОДЫ НЕРАЗЪЕМНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Непаяные методы соединений достаточно распространены, поэтому их нельзя обойти вниманием. Все, кто знаком с автомобильной электроникой, с
прокладкой сетей, с вычислительной техникой и средствами коммуникаций,
хорошо знают и используют в своей практике методы обжима контактов, в
экспериментальных лабораториях активно используют быстро сменяемые условно
неразъемные соединения для создания макетов.
Рынок предлагает широкий инструментарий для реализации соединений,
условно называемых непаяными.
Наиболее распространенные непаяные соединения: соединения скручиванием и намоткой, под зажим, соединения обжатием (самое распространенное),
соединение впрессовыванием контактных штырей в металлизированные отверстия
(Press-Fit), соединения проводящими пастами.
К группе непаяных соединений относят все неразъемные соединения,
образующиеся за счет холодной деформации стыков соединяемых элементов.
Усилия вдавливания этих элементов друг в друга с образованием герметичной
зоны металлического контактирования — обязательное условие образования
прочного и надежного соединения.
Принципы непаяных соединений
В силовой электронике, в электротехнических сетях непаяные соединения
широко распространены: практически все сильноточные соединения выполняются
или скрутками, или зажимом под винт. Алюминиевые провода, имеющие прочную
окисную пленку, скручивают только в высоковольтных сильноточных линиях. В
этих условиях в линии достаточно напряжения и мощности, чтобы окисная пленка
пробилась, а зона контакта оплавилась с об разованием сварного соединения.
Для слаботочной аппаратуры, где малые токи и напряжения не способны
улучшить «плохой» контакт, электрические соединения изначально не должны
98
иметь разделительных слоев из окислов и загрязнений. Это достигается холодной
пластической деформацией стыков соединений, так что при этой деформации
пленки окислов раздвигаются, обнажая чистый металл. Такое состояние сжатия
должно удерживаться, чтобы обеспечить герметичность (газонепроницаемость)
стыков для предотвращения окисления и нарушения металлической проводимости.
В дальнейшем мы будем рассматривать конструкции и технологии непаяных
соединений с позиций обеспечения пластической деформации и удержания их с
герметичностью контактной зоны.
Обусловленность применения непаяных соединений будет определяться
конкретной конструкцией контактов. Но общие преимущества всех непаяных
соединений состоят в следующем:
отсутствие необходимости в нагреве для образования соединения, что
является в ряде случаев решающим преимуществом;
коррозионная стойкость за счет герметичности контакта;
экономичность;
простота ремонта — не нужен нагрев;
гигиеничность в производстве (нет ни флюсов, ни припоев);
высокая надежность.
Сравнительные характеристики некоторых типов соединений для равных
условий эксплуатации, ч-1:
соединения накруткой 10-13
соединения обжатием 10-11
паяные соединения
10-10 (ручная пайка)
соединения микросваркой 10-9
Наиболее характерным для непаяных соединений с точки зрения разрешения
проблем надежности являются соединения методом накрутки.
5.2. Монтаж соединений накруткой
Монтаж накруткой предназначен для получения электрических соединений с
помощью одножильных проводов и штыревых выводов. Он был разработан в
начале 50-х гг. в США и достаточно широко применяется для электрического
монтажа блоков, панелей и рам. Монтаж накруткой:
исключает применение припоев и флюсов;
повышает надежность соединений по сравнению с паяными при механических и климатических воздействиях;
ускоряет процесс электрического монтажа аппаратуры;
создает условия для его автоматизации.
Контактное соединение накруткой
Контактное соединение накруткой — соединение неизолированного провода
(участка провода) с выводом, имеющим острые кромки, при котором провод
навивается на вывод с определенным усилием (рис. 5.1). Электрический контакт
возникает в зонах контакта провода с острыми кромками вывода (рис. 5.2).
Натяжение провода при накрутке позволяет разрушить пленку оксидов на
контактирующих
металлах,
способствует
вдавливанию
провода
Рис. 50. Соединение накруткой провода на хвостовик разъема: а —
регулярная накрутка; б — модифицированная накрутка
в острые кромки вывода и образованию газонепроницаемого соединения
(рис. 5.3). Возможно соединение накруткой с применением провода с тонкой
изоляцией. Тогда изоляция прорезается острыми кромками вывода. Концентрация
напряжения в зонах контакта и среднее давление порядка 700 МПа обусловливают
взаимную диффузию металлов.
Соединение накруткой должно удовлетворять следующим требованиям:
минимальные номинальное и переходное сопротивления;
газонепроницаемость для исключения коррозии;
сумма площадей зон контакта должна быть больше поперечного сечения
провода;
Провод
кромки
Штырь
► Витки
Рис 60. Накрутка без зачистки изоляции.
Давление провода раздвигает окислы, образуется газонепроницаемый металлический контакт.
электрическая стабильность во времени при механических и климатических
воздействиях.
Эти требования обеспечиваются выбором соответствующих материалов
вывода и провода, конструкцией соединения и технологическими условиями его
получения.
Материал вывода должен обладать достаточной пластичностью для
образования поверхностей контакта в результате деформирования острых кромок.
Необходима определенная упругость и прочность вывода для сопротивления
скручиванию его в процессе навивки провода. От состояния поверхностного слоя
материала зависят электрические параметры соединения. Для изготовления
выводов применяют медь, латунь, плакированную сталь, никелево-серебряные
сплавы, бериллиевую и фосфористую бронзы. Последние имеют наилучшие
физико-механические свойства:
высокий модуль упругости;
низкое остаточное напряжение;
коэффициент линейного расширения, близкий к коэффициенту линейного
расширения медного провода.
На выводы наносят покрытия из серебра, золота, олова или сплава оловосвинец, предохраняющие поверхности от окисления, способствующие процессу
диффузии металлов и определяющие значения переходного сопротивления.
Выводы из латуни и бронзы, предназначенные для специальной электронной
аппаратуры, гальванически покрывают золотом (3.6 мкм) с предварительным
серебрением (9.12 мкм). Применяют серебрение (6.9 мкм) по никелевому
покрытию (1.3 мкм). Для обычной аппаратуры выводы получают из меди с
покрытием оловом или сплавом олово-свинец толщиной не более 35.40 мкм.
В качестве провода для накрутки используют медный одножильный провод,
имеющий относительное удлинение не менее 20%. Рабочий участок провода
освобождается от изоляции и облуживается. Кроме меди используют латунь,
никелевое железо и никелевую проволоку.
Зажимное соединение сжатием («термипойнт»)
Рис. 61 Соединениетипа«термипойнт»
Этот тип соединений был разработан фирмой AircraftMarineProducts (AMP) в
начале 60-х гг. Этим методом провода закрепляют в начале и конце соединения
(Terminationfrompointtopoint). Соединение образуется защемлением провода на
штыре специальнойклипсой — зажимом (рис. 5.8). Пружинные захваты зажима
прижимают провод к штырю с силой около 200 МПа. Поэтому соединение,
имеющее относительно небольшую поверхность контактирования, газонепроницаемо и механически устойчиво.
Производительность метода в полуавтоматическом режиме 400—500
соединений в минуту
Эластичное соединение («зебра»)
Это разъемное соединение с нулевым усилием сочленения осуществляется
через «островки» эластичного проводящего полимера (резины).
Главный его недостаток — большое электрическое сопротивление (10.100
Ом). Но ряд устройств и не требует малоомных соединений: дисплеи (например, в
электронных часах), сенсорные панели, контакты с электростатическими стоками и
т.п. Известны эластичные контактные элементы,
4
Рис. 62. Соединения через токопроводящую резину («зебра»): 1 —
монтажная подложка (печатная плата); 2 — держатель токопроводящих элементов;
3 — токопроводящие резиновые элементы; 4 — компонент; 5 — контактное поле
компонент; 6 — контактное поле подложкивыполненные в виде шариков (рис 13)
или вырезанные из многослойных пластин, чередующихся слоем саженаполненной
и непроводящей резины. Эластичные контакты особенно хороши, когда нет
гарантий ровности рельефа контактирующих поверхностей, своей эластичностью
они компенсируют эти неровности.
Подраздел 2.4 Технология выполнения защитных покрытий
ВИДЫ ПОКРЫТИЙ
Назначение покрытий — защита от коррозии, придание красивого внешнего
вида и некоторых свойств поверхностному слою, отличных от основного металла
(твердости, электропроводности и др.). Виды покрытий определяются способами
их получения, материалом и толщиной покрытия и его последующей обработкой.
Различают покрытия на неорганической основе — металлические и химические
(оксидные) и покрытия на органической основе, лакокрасочные, полимерные и
пластмассовые.
Условия эксплуатации. При выборе покрытой необходимо учитывать
условия эксплуатации: легкие (л), средние (с), жесткие и очень жесткие. Легкие
условия эксплуатации — для закрытых, отапливаемых и вентилируемых
помещений с относительной влажностью 65% и температуре 25 °С; средние
условия — в атмосфере, загрязненной небольшим количеством промышленных
газов и пылью, при отсутствии прямого воздействия атмосферных осадков и
прямой солнечной радиации, влажность среды 95% при температуре 35 °С.
Жесткие условия — негерметизированная аппаратура при непосредственном
воздействии атмосферных осадков, сернистых газов в атмосфере, загрязненной
промышленными газами.
Металлические покрытия
Металлические покрытия представляют собой тонкий слой металла,
нанесенного на поверхность. Покрытия бывают анодные и катодные. Анодными
защитными покрытиями называют такие покрытия, электрохимический потенциал
металла которых в данной среде более электроотрицателен, чем
электрохимический потенциал основного металла; катодными — покрытия с
обратным соотношением потенциалов. Требования, предъявляемые к
металлическим покрытиям, — это прочное сцепление с основным металлом;
мелкокристаллическая структура, обеспечивающая наилучшие механические
свойства; минимальная пористость; равномерная толщина покрытия (высокая
твердость, износоустойчивость).
Технологический процесс покрытий имеет этапы:
подготовка поверхности, ТО: механическая обработка, т. е. удаление
заусенцев, неровностей; обезжиривание поверхностей (бензин, керосин, известь,
химический или электрохимический способ); декапирование (легкое травление), т.
е. погружение изделия в 10%-ный раствор серной или соляной кислоты
(назначение этой ТО — удаление тонких оксидных пленок и выявление структуры
основного металла), затем промывка водой;
нанесение покрытий электрохимическим (гальваническим) или химическим
способом. Цинком покрывают для защиты от коррозии деталей из черных
металлов (выдерживает изгибы, но плохо сваривается и спаивается); кадмием
покрывают изделия, эксплуатируемые в условиях морской среды; хромом по стали
— изделия для повышения твердости, износоустойчивости, жаропрочности
(покрытие хрупкое, пористое ); никелем по меди — изделия для придания им
магнитных свойств, блеска, полирования; оловом по меди — изделия для
предохранения деталей от окисления, облегчения пайки, герметизации резьбовых
соединений;
промывка и сушка деталей.
Лакокрасочное покрытие
Для придания поверхности детали антикоррозионных свойств и красивого
внешнего вида используют лакокрасочные покрытия. Это покрытие не
применяется для деталей высокой точности, трущихся поверхностей,
подверженных нагреву. Имеется семь классов покрытий (ГОСТ 9.032—74),
высший класс — первый. По степени блеска покрытия делятся на глянцевые,
полуглянцевые и матовые.
Технологический процесс нанесения покрытий:
подготовка поверхности (ТО: очистка от загрязнений (химическая или
механическая), обезжиривание);
грунтование — нанесение слоя фунта толщиной около 20 мкм. Основное
назначение — создание адгезии между металлом и последующими слоями
лакокрасочного покрытия. Грунт наносится распылением, окунанием или кистью
(после нанесения каждого слоя — сушка);
шпатлевание — выравнивание загрунтованной поверхности. Шпатлевка —
это пастообразная масса (пигменты, наполнители, лаки с добавкой
пластификаторов). Шпатлевки наносят шпателем или краскораспылителем
(добавка растворителя). Затем поверхность сушат и шлифуют;
нанесение лакокрасочных покрытий — с помощью кисти, окунания,
распыления;
сушка — в сушильных шкафах, рефлекторных сушилках, инфракрасными
лучами.
Контроль покрытий
Контроль покрытий ведется по внешнему виду, толщине, пористости и
прочности сцепления с основным материалом. Внешний вид проверяется
визуально с помощью лупы с четырехкратным увеличением, сравнивая с эталоном.
Для контроля толщины покрытий используют физические (неразрушающие) и
разрушающие (химические) методы.
Физические: магнитный — в зависимости от толщины покрытия изменяется
сила отрыва постоянного магнита от поверхности детали; радиоактивный —
интенсивность отражения -излучения; электромагнитный — магнитный поток,
возникающий между преобразователем прибора и деталью; весовой — средняя
толщина покрытия рассчитывается по формуле:
Н ср  ( g1  g 2 )  1000 /(s   )
(3.1)
где g1 , g 2 — масса детали до и после нанесения покрытия, г;
s — площадь покрытия, см2;
 — плотность материала покрытия, г/см3.
Химический метод контроля покрытий заключается в том, что участок
покрытия растворяется каплями раствора. Они наносятся и выдерживаются в
течение определенного промежутка времени. Толщину покрытия рассчитывают по
числу капель, которые наносят до тех пор, пока не обнаруживается участок
основного металла.
Контроль пористости покрытия ведется путем наложения фильтрованной
бумаги и паст. Эти методы основаны на химическом взаимодействии основного
металла с реагентом в местах пор и других погрешностей покрытия с образованием
окрашенных соединений. После снятия бумаги промывают и подсчитывают число
пор, которые видны в виде точек или пятен.
Прочность сцепления покрытия определяют методом изгиба под углом 90°
или путем нанесения сетки царапин (4—6 параллельных линий глубиной до
основного металла, на расстоянии 2—3 мм друг от друга и 4—6 параллельных
линий, перпендикулярных им). На контролируемой поверхности при этом не
должно быть отслоений.
Покрытия обозначают в чертежах в соответствии с ГОСТ 9.303—84 (способ
нанесения, вид покрытия, толщина покрытия, степень блеска, вид дополнительной
обработки). Например, цинковое покрытие толщиной 12 мкм, матовое наносится
гальваническим методом, обозначается Ц12М В обозначении лакокрасочных
покрытий (в соответствии с ГОСТ 9.032—74) указывается материал покрытия,
внешний вид (класс покрытия) и условия эксплуатации (группа покрытия).
Например, эпоксидная эмаль ЭП-140, цвет синий, 4 класс отделки для изделий,
эксплуатируемых внутри помещений (П). Обозначение в этом случае имеет вид:
Эм Эп-140, синий, 4, П.
Методы обработки изделий ЭВМ
Электроэрозионные методы обработки
Электроэрозионные методы обработки — это совокупность электрических,
химических воздействий на обрабатываемую деталь для придания ей заданной
формы и размеров. Эти методы делятся на группы: электроэрозионные, лучевые,
ультразвуковые, электрохимические, электрофизические (плазменная обработка,
формование в магнитном поле).
Эти методы обработки применяются при изготовлении изделий из
материалов высокой твердости: ферриты, германий, кремний, алмазы, рубины,
кварц, твердые сплавы, керамика, — используемые в производстве ЭВМ. Основное
преимущество этих методов является возможность копирования формы
инструмента сразу по всей поверхности, вследствие чего процесс легко
автоматизируется. Для всех методов обработки (кроме ультразвуковых)
производительность не зависит от твердости и вязкости обрабатываемого
материала.
Электроэрозионные методы используют для всех токопроводящих
материалов, они основаны на явлении электрической эрозии, т. е. разрушении
поверхности электродов электрическим разрядом, проходящим между ними.
Разрушение материала происходит путем его оплавления с последующим
выбросом из рабочей зоны в виде парожидкостной смеси. Основными методами
электроэрозионной обработки являются электроискровая и анодно-механическая.
Для этих методов характерно наличие жидкой диэлектрической среды между
электродами и подача энергии в форме импульсов. Жидкая среда повышает
эффективность разрушения металла и является средством эвакуации продуктов
эрозии из зоны обработки. Электроэрозионные методы различают в зависимости от
формы и параметров импульсов тока и напряжения, а также метода генерирования
импульсов. Импульсы могут иметь униполярную, знакопеременную и другие
формы. Основными параметрами импульсов являются их длительность t н и
скважность q. По длительности импульсы ( t н <10-4 c) делят на короткие ( t н <10-4
c), средние ( t н =10-4…10-2 c), длинные ( t н >10-2 c)/
Скважностью импульса q называют отношение периода импульса к его
длительности: q=T/ t н .
Электроискровая обработка
Этот метод основан на использовании импульсных искровых разрядов малой
длительности (несколько микросекунд) и большой скважности q>8. Обработка
ведется
методом
копирования
формы
электрода-инструмента
и
непрофилированным электродом. Обработка методом копирования производится
при поступательном движении одного из электродов и неподвижно закрепленном
втором электроде, при этом форма электрода-инструмента копируется (рис. 2.1).
При напряжении, равном величине пробоя, происходит заряд конденсатора
через межэлектродный зазор и энергия, накопленная конденсатором, мгновенно
выделяется в процессе разряда. Искровой разряд протекает вмиллионные доли
секунды и практически не нагревает обрабатываемое изделие. Так как место
приложения импульсов строго определено, то обработку можно производить в
намеченном месте.
При прохождении искрового разряда в жидкости возникают гидравлические
явления и газообразования, создающие взрывной эффект, который способствует
удалению из межэлектродного промежутка разрушенного разрядом металла.
Источником питания служат обычно генераторы постоянного тока напряжением
30...220 В, создающие силу тока зарядного контура в пределах 1...5 А. Время
зарядки лежит в пределах 10-3 с, а время разрядки — от 10-5 до 10-8 с.
Рис.
63.
Схема
электроискровой
обработки:
1 – деталь, 2 – рабочая жидкость (керосин, трансформаторное масло),
3
–
инструмент,
4
–
источник
постоянного
тока,
R - сопротивление, C - конденсатор
Основная часть энергии, получаемой при разрядке конденсаторов,
выделяется в виде теплоты (температура доходит до 11000 °С). При этом теплота
расходуется на испарение и плавление металла, только лишь небольшая ее часть
поглощается электродами. Последовательное действие разрядов, вызывающих
электрическую эрозию, приводит к образованию в изделии выемки,
представляющей собой как бы отпечаток электрода инструмента. Во время работы
разрядного контура вследствие эрозионного разрушения металла зазор между
электродами постоянно увеличивается. В какой-то момент времени зазор
возрастает настолько, что разряд не возникает и съем металла прекращается.
Для обеспечения непрерывности процесса станки для электроискровой
обработки снабжаются регуляторами, автоматически меняющими положение
одного из электродов и регулирующими подачу. Производительность процесса
электроискровой обработки зависит от частоты, с которой будут следовать
разряды, и от количества металла, вырабатываемого при каждом разряде.
Большое влияние на производительность оказывает материал электрода.
Основным требованиям, предъявляемым к материалу, является высокая эрозионная
устойчивость. Этим требованиям лучше всего отвечает латунь ЛС59-1, красная
медь и медно-угольная композиция. Форма электрода подобна форме
прошиваемого отверстия, но размеры его меньше размеров отверстия.
Метод электроискровой обработки непрофилированным (проволочным)
электродом
Электрод-проволока 2 диаметром 0,02...0,5 мм перематывается при
определенном натяжении с подающей катушки 1 на приемную 5, прорезая (в
результате электроэрозионного процесса) помещенную на ее пути обрабатываемую
деталь 3 (рис. 2.2).
Направляя движение детали в двух взаимно перпендикулярных
направлениях, можно вырезать любой заданный контур. Траектория
обрабатывающего электрода-проволоки относительно детали задается копиром,
имеющим соответствующие размеры. Для улучшения условий удаления продуктов
эрозии проволока натянута в вертикальном направлении. В заготовке имеется
технологическое отверстие 4.
Рис. 64. Схема электроискровой обработки непрофилированным (проволочным)
электродом
В качестве материала проволоки применяют медь, а при диаметре менее 0,05
мм — вольфрам, так как прочность медной проволоки в этом случае недостаточна.
Диаметр проволоки определяется требуемой шириной реза, значение которого
складывается из диаметра проволоки и удвоенного значения зазора, который
берется от 0,075 до 0,015 мм на сторону. В качестве рабочей жидкости применяют
керосин. Основное достоинство такого способа — возможность полной
автоматизации на станках с ЧПУ.
Анодно-механическая обработка
Этот метод основан на использовании комбинированного процесса анодного
растворения и эрозионного воздействия на обрабатываемую деталь. При грубых
режимах доминирует электроэрозионный процесс, за счет которого и
осуществляется съем металла.
Обрабатываемая деталь 1 (рис. 2.3) включается в цепь постоянного тока в
качестве анода, а рабочий инструмент 3 (диск, лента, проволока) — в качестве
катода. Источником питания является генератор постоянного тока 4.
Межэлектродное пространство заполняют рабочей жидкостью 2 (обычно водным
раствором жидкого стекла). Под действием постоянного напряжения (22...26 В) на
поверхности детали образуется силикатная пленка 5, имеющая повышенное
электрическое сопротивление и исключающая замыкание электродов. Снятие
пленки движущимися инструментами вызывает электротермическую эрозию
обрабатываемого материала.
Наиболее целесообразно анодно-механическую обработку применять для
разрезания твердых материалов, для наружного и внутреннего шлифования и
заточки режущего инструмента из твердых сплавов.
Рис. 65 – Схема анодно-механической резки.
2.2. Лучевые методы обработки
Особенностью лучевых методов обработки является отсутствие рабочего
инструмента, роль которого выполняет непосредственно луч. Лучевые методы
обработки особенно целесообразны для получения отверстий небольших размеров,
так как изготовление инструмента в этих случаях очень трудоемко. Он быстро
выходит из строя вследствие поломки, а при точных размерах изделия — из-за
износа. Основными разновидностями лучевой обработки являются электроннолучевая и светолучевая.
2.2.1. Электронно-лучевая обработка
Она основана на использовании теплоты, выделяющейся при резком
торможении потока электронов поверхностью обрабатываемого изделия (рис. 2.4).
При этом кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую и только
незначительная часть (0,1...3%) — в рентгеновское излучение. Чем выше
кинетическая энергия потока электронов и чем меньше площадь, на которой она
сосредоточена, тем быстрее проходит нагрев. В качестве источников свободных
электронов (термокатода) используют металлическую проволоку (вольфрам,
тантал), нагретую до высокой температуры в глубоком вакууме.
Рис. 66. Схема для обработки и сварки с помощью электронного луча.
В этих условиях электроны не испытывают столкновений с молекулами
воздуха и друг с другом. При этом вся энергия, получаемая отдельными
электронами, затрачивается на придание электрону определенной скорости.
Количество электронов, испускаемых термокатодом, зависит от температуры
нагрева и его материала. Электроны сжимаются и формируются в узкий луч с
высокой концентрацией энергии с помощью магнитных линз, представляющих
собой катушки специальной формы.
Источником электронов является катод 1, помещенный в формирующий
электрод 2. При нагреве катода с его поверхности излучаются электроны, которые
под воздействием электрического поля, создаваемого высокой разностью
потенциалов между анодом 3 и катодом, приобретают высокую скорость и
направляются в фокусирующую катушку 4. С помощью отклоняющей катушки 5,
луч можно перемещать по поверхности детали 6, установленной на столе 7.
Оптическая система наблюдения состоит из зеркала 8 и микроскопа 9. Если
система, отклоняющая луч, не работает, а изделие стоит неподвижно, то луч
выполняет роль сверла.
Обработка осуществляется лучом малого диаметра (1...10 мкм) при
плотности энергии от 107 до 109 Вт/см2. Длительность импульса составляет от 102 до 10-5 с. Электронный луч оказывает очень небольшое давление (примерно 1
Па) на поверхность, а температура в месте воздействия луча достигает
8000 °С. При этом, металл мгновенно испаряется. Электроннолучевая обработка
применима для всех материалов (металлов, ферритов, стекла, алмазов, графитов).
Благодаря малому времени воздействия теплоты термическое влияние на
периферийные области незначительно. Недостатком метода является сложность
установки из-за необходимости иметь вакуумную камеру.
2.2.2. Светолучевая обработка
Светолучевая обработка основана на применении лазера (квантовый
генератор (усилитель) когерентного излучения оптического диапазона).
Температура в зоне действия луча доходит до 8000 °С. Важное свойство лазерного
излучения — когерентность (волновые лучи идут друг за другом,
распространяются в одном направлении, имеют одинаковую длину волны и
находятся в фазе друг с другом). Луч лазера фокусируется в пятно диаметром 1...
10 мкм.
Лазер на основе синтетического рубина показан на рис. 2.5. Он представляет
собой оксид алюминия, в котором некоторые из атомов алюминия заменены
атомами хрома (до 0,05%), являющимися активными центрами. Рубиновый
стержень изготавливают из монокристалла, полученного выращиванием в
плазменной индукционной печи. Диаметр стержня 2—20 мм, длиной 80—200 мм.
Торцы рубина 1 отполированы и представляют собой зеркала. Один торец
покрыт плотным непрозрачным слоем серебра, а другой (со стороны линзы 4)
имеет коэффициент пропускания около 8%. Линза 4 формирует испускаемое
излучение и направляет его к обрабатываемому изделию 3. Рубин 1 и импульсная
лампа вспышки 5 устанавливают в камере 2. Внутренняя поверхность камеры
отполирована и является отражателем света. Зарядный агрегат б состоит из батареи
конденсаторов 7. С помощью пускового устройства 8 происходит разряд
конденсаторов и появляется вспышка света длительностью 10-3 с. Свет
фокусируется на рубиновом стержне, в результате чего атомы хрома переходят на
более высокий энергетический уровень. Если большинство атомов окажется на
верхнем уровне, то будут происходить процессы индуцированного (вынужденного)
излучения.
Рис. 67. Схема квантового генератора
Основной задачей при создании квантовых генераторов является получение
инверсионного состояния, т. е. такого, когда число атомов на верхнем уровне
превышает их число на нижнем уровне. Луч света, образовавшийся в результате
возвращения атомов в исходное состояние, проходя вдоль оси рубина и
многократно отражаясь достигает большой интенсивности и проходит через
полупрозрачный торец рубина.
Лазерную технологию используют при производстве электронных устройств,
для получения отверстий малого размера в твердых материалах (ферритах, стекле),
сварки, термообработки, скрайбирования, маркировки и так далее. Светолучевая
сварка имеет малую длительность термического цикла, что обеспечивает
возможность обработки материалов, чувствительных к воздействию теплоты.
Краткость импульсов предотвращает возможность получения крупнозернистой
структуры и окисления металлов (сварка монтажных соединений в интегральных
микросхемах (ИС)).
Сварка световым лучом выполняется в воздухе, в атмосфере инертных газов,
в вакууме. При этом не требуется защиты обслуживающего персонала от
рентгеновского облучения, вследствие чего оборудование значительно упрощается.
В производстве ИС используют процесс скрайбирования, который заключается в
нанесении на поверхность материала канавок, после чего материал легко
раскалывается. Лазеры применяют при маркировке хрупких изделий малых
размеров и для зачистки монтажных проводов.
Обработка ультразвуком
Ударно-абразивный метод обработки твердых и хрупких материалов
осуществляется инструментом 1, колеблющимся с ультразвуковой частотой 18—20
кГц. Под торец инструмента подается водная суспензия абразивного порошка.
Зерна абразива 2 скалывают материал заготовки 3 мелкими частицами, которые
вместе с абразивом уносятся жидкостью (рис. 2.6).
Рис.66. Схема ультразвуковой обработки
Этим методом обрабатываются твердые и хрупкие материалы: керамика,
кварц, рубин, алмаз, кремний, твердые сплавы. Скорость съема материала по
обработке стекла составляет 9000 мм/мин, а по твердому сплаву 200 мм/мин. У
вязких материалов (незакаленная сталь) зерна абразива внедряются в
обрабатываемый материал и не происходит сколов материала изделия.
Максимальные амплитуды колебаний 45—50 мкм, увеличение амплитуды
приводит к разрушению инструмента (сталь 45 с последующей закалкой до
твердости HRC 48—56). Точность обработки 0,06 мм.
Электрохимическая обработка
Электрохимическая обработка основана на явлении анодного растворения
металла и удаления продуктов электрохимической реакции с обрабатываемой
поверхности (для токопроводящих материалов). Точность обработки от 12 мкм до
18 мкм. Разновидности такой обработки: анодно-гидравлическая в проточном
электролите, электрохимическое полирование в неподвижном электролите и
анодно-механические способы чистовой обработки.
2.4.1. Анодно-гидравлическая обработка в проточном электролите
Анодное растворение происходит без образования механически прочных
анодных пленок, вследствие чего удаление продуктов электролиза осуществляется
в результате принудительного потока электролита (водный раствор соли:
нейтральной, кислотной или щелочной). При анодно-гидравлическом сверлении
инструментом служит медная трубка, изолированная снаружи. Под давлением
вытекающего электролита между торцовой поверхностью трубки и детали
образуется зазор, исключающий замыкание электродов (рис 2.7).
При прохождении электрического тока через электролит происходит
растворение металла детали. Продукты электролиза удаляются электролитом. По
мере растворения изделия трубка углубляется в деталь, поддерживая постоянство
межэлектродного зазора.
Рис. 69. Схема анодно-гидравлической обработки в электролите
Примером формообразования более сложных поверхностей может служить
операция изготовления кольцевых канавок (рис. 2.8).
Рис. 70. Схема изготовления кольцевых канавок
Деталь 1 подключена к положительному источнику тока, а инструмент 2 к
отрицательному. Анодно-гидравлическую обработку целесообразно применять для
снятия заусенцев у деталей сложной формы (мелкомодульные шестерни и др.).
Механическое удаление заусенцев является весьма трудоемкой операцией и не
обеспечивает высокого качества деталей. При анодно-гидравлической обработке
удаляются мельчайшие заусенцы и значительно повышается производительность
труда. В практике находят применение анодно-механическое шлифование
наружных цилиндрических поверхностей и чистовая обработка плоскостей.
Обычно используют комбинированные методы обработки, у которых
анодное растворение металла сочетается с эрозионным или ультразвуковым
разрушением, а продукты реакции удаляются с обрабатываемой поверхности
механическим путем и выносятся из рабочей зоны потоком электролита.
Обработка плазмой
Плазма — ионизированный газ, перешедший в это состояние в результате
нагрева до очень высокой температуры или вследствие столкновения частиц газа с
быстрыми электронами (в газовом разряде). При этом молекулы распадаются на
атомы, от которых отрываются электроны и возникают ионы. Последние
ионизируют газ и делают его электропроводным.
Однако не всякий ионизированный газ можно назвать плазмой.
Необходимым условием существования плазмы является ее электрическая
квазинейтральность, т. е. она должна содержать в единице объема примерно равное
количество электронов и положительно заряженных ионов. Наряду с ними в
плазме может находиться некоторое количество неионизированных атомов и
молекул. На плазму могут воздействовать электрические и магнитные поля.
Внешнее магнитное поле позволяет сжимать струю плазмы, а также управлять ею
(т. е. отклонять, фокусировать).
Большая степень ионизации обусловливает высокую температуру
газоразрядной плазмы, которая может достигать 50 000 °С и выше. Свойства
плазмы можно изменять путем применения различных газов (азота, аргона,
водорода, гелия и др.). Основным методом получения плазмы для технологических
целей является пропускание струи сжатого газа через пламя электрической дуги.
Современные плазменные горелки делят на горелки прямого действия (с внешней
дугой) и косвенного действия (с внутренней дугой).
Горелки прямого действия применяют для обработки электропроводящих
материалов (рис. 2.9). Дуга возбуждается между обрабатываемым изделием 4
(анодом) и вольфрамовым электродом 1 (катодом). Поток газа поступает в
охлаждаемую водой 3 медную оболочку 2. Дуга, выходя из сопла, направляется
вместе с потоком газа к изделию. В качестве рабочего газа используют аргон,
который ионизируется. Напряжение зажигания и рабочее напряжение при этом
небольшие а электрическая дуга получается стабильной и инертной.
Рис.71. Схема горелки прямого действия
При использовании в качестве рабочего газа гелия скорость истечения струи
при t = 10 000—15 000 °С приближается к скорости звука. Плазменная горелка
потребляет мощность 50 кВт и создает концентрацию мощности плотностью 3
мВт/дм 2.
Горелка косвенного действия применяется для обработки токопроводящих
материалов и диэлектриков (рис. 2.10). Дуга образуется между вольфрамовым
катодом 1 и стенками медного сопла 2. Поток газа, охлаждаемого водой 3,
поступает в медную оболочку и, проходя через дугу, ионизируется. Дуга под
действием струи газа выходит за пределы сопла, и плазма в виде факела
направляется на обрабатываемое изделие 4, которое изолировано от дуги.
Применение плазменных горелок оказалось возможным из-за способности
плазмы сжиматься в узкий пучок. Защитой сопла от разрушения служит оболочка
газа, которая образует прослойку между факелом и стенками сопла.
Рис. 72. Схема горелки косвенного действия
Плазменный
нагрев
используют
для
напыления
тугоплавких
неметаллических материалов, которые вводятся в плазму в виде порошка. Этим
методом можно получать многослойные покрытия из одного или нескольких
порошков. Качество покрытия зависит от подготовки поверхности, вида
применяемого порошка и материала основания. Подготовка поверхности
заключается в очистке и обезжиривании.
Плазменной горелкой обрабатывают материалы любой твердости и любого
химического состава. Эффективно применение плазмы при резке нержавеющих
сталей и других материалов. Поверхность среза при этом получается гладкой,
глубина зоны влияния — незначительной.
Применяемые интерактивные формы обучения на лабораторных работах (не
менее 4 часов по учебному плану)
Лабораторные работы 1 и 2.
1. Обсуждение проблем обеспечения нормальных тепловых режимов (ЭМС) в
устройствах СВТ и путей решения возникающих при этом задач виде пошаговой
дискуссии. ( по 0,35 часа )
2. Взаимная оценка полученных результатов одной подгруппы другой. (по 0,35
часа)
Лабораторная работа 3
1. Пошаговая дискуссия (лабиринт) по путям решения размещения и
проектирования рисунка ПП с учетом ЭМС и тепловыделения в схеме.
(1час)
2. Совместное определение последовательности операций технологического
процесса, выбор типа процесса и составление маршрутных карт в диалоге с
преподавателем (0,9 часа).
3. Определение качества проектов студентами и формирование критериев
оценки. (0,7 часа).
5.3.Краткое описание лабораторных работ
5.3.1
Перечень рекомендуемых лабораторных работ
1.Исследование тепловых режимов электронного устройства (СВТ).
2. Расчёт и исследование электрических помехоподавляющих фильтров.
3.Конструирование печатных плат с помощью специализированных САПР.
5.3.2 Методические указания по выполнению лабораторных работ
1 Лабораторная работа 1. Исследование тепловых режимов электронного
устройства (СВТ). Подраздел 1.3. Обеспечение тепловых режимов в
конструкциях СВТ.
Цель: Изучить тепловые режимы работы устройства СВТ. Получить навык
выполнения тепловых схем устройства.
Задание:
1.Исследование температурного поля устройства.
- определить основные источники тепла;
- начертить схему с указанием источников тепла;
- провести исследование температурного поля в различных режимах с
использованием датчиков;
- оформить результаты в виде таблиц и графиков;
2. Создание тепловой схемы одного из блоков устройства.
Содержание отчета:
1.
Задание
2.
Схема и спецификация устройства с основными источниками
тепла.
3.
Результаты исследования температурного поля в виде таблицы и
графиков.
4.
Тепловые схемы блока СВТ.
5.
Выводы.
2. Лабораторная работа 2. Расчёт и исследование электрических
помехоподавляющих фильтров. Подраздел 1.4. Электромагнитная
совместимость.
Цель : Изучение схем электрических фильтров влияние параметров на их работу.
Задание:
1.
Провести расчёт помехоподавляющих фильтров по заданию
преподавателя.
2.
Собрать схему фильтра в лаборатории Electronic Workbench.
3.
Провести исследование полученных моделей фильтров
4.
Оформить результаты.
Содержание отчёта
1.
Схемы фильтров
2.
Расчёт параметров фильтров.
3.
Модели схем фильтров.
4.
Результаты исследования моделей.
3. Лабораторная работа 3. Конструирование печатных плат с помощью
специализированных САПР Тема 2.3.1. Печатные платы, методы получения
печатных проводников.
Цель: Получить практические навыки в конструировании печатных плат с учётом
тепловых режимов и ЭМС устройства.
Задание:
1.
Ввести описание схемы в специализированную САПР.
2.
Выбрать тип ПП и её размеры.
3.
Провести размещение элементов с учётом тепловых режимов и
ЭМС.
4.
Провести расчёт ширины проводников печатного монтажа.
5.
При необходимости сконструировать топологию монтажных
площадок и заземляющих поверхностей.
6.
Провести трассировку.
7.
Добавить элементы крепёжных и технологических отверстий.
8.
Определить размеры всех отверстий.
Содержание отчёта:
1.
Задание
2.
Схема устройства
3.
Необходимые расчёты
4.
Обоснование размещения элементов
5.
Рисунок печатной платы
6.
Краткое описание технологического процесса .
Краткое описание практических занятий
5.4
Практические занятия по учебному плану не предусмотрены
5.5
Краткое описание видов самостоятельной работы
5.5.1
Общий перечень видов самостоятельной работы
1. Самостоятельное изучение отдельных разделов дисциплины.
2. Выполнение контрольной работы.
3. Составление отчета и подготовка к защите лабораторных работ.
4. Подготовка к экзамену.
5.5.2 Методические рекомендации по выполнению каждого вида
самостоятельной работы
1.
Самостоятельное изучение разделов курса
Цель: изучить разделы, не вошедшие в теоретическую часть аудиторных занятий.
.Конструкторское обеспечение производства ЭВМ
Конструкторская документация
Понятие о ЕСКД. Виды конструкторской документации. Правила
оформления технической документации по ЕСКД
Задание
1.
Сформировать документ «техническое задание на разработку технического
устройства» (технические условия) в соответствии со стандартами ЕСКД.
Отчёт должен содержать:
 Документ ТЗ или ТУ, выполненный в соответствии с требованиями
ЕСКД.
 Перечень положений ЕСКД, которые использовались при подготовке
документа. Краткая характеристика назначения и содержания этих
ГОСТ.
Работа выполняется с помощью программ САПР конструктора, выполнения
графических документов (схем), спецификаций. При выполнении отчёта
использовать Положения стандартов ГОСТ ЕСКД.
Отчёт оценивается по полноте пунктов ТЗ (ТУ). Оценки зачёт/незачёт
Обеспечение тепловых режимов в конструкциях СВТ.
Мероприятия по обеспечению нормальных тепловых режимов в СВТ.
Тепловой расчёт.
Задание
1.
Изучить виды теплообмена.
2.
Изучить конструкторско - технологические мероприятия по обеспечению
нормальных тепловых режимов в СВТ.
3.
Получить практические навыки составления тепловой модели устройства
СВТ.
Отчёт должен содержать:

Перечень видов теплообмена с указанием зависимости и формулами.

Описание конструктивных элементов систем охлаждения (пример
каждого из элементов)

Тепловая схема системы с полупроводниковым прибором и радиатором.
Для выполнения работы по изучению раздела и подготовки отчёта
использовать основную и дополнительную литературу, конспект лекций
преподавателя, рекомендованные электронные ресурсы.
Отчёт зачитывается только при выполнении всех трёх пунктов.
Электромагнитная совместимость электронных устройств.
Задание
1.
Рассмотреть различные виды помех по нескольким видам классификаций
2.
Изучить основные конструкторские мероприятия по обеспечению
помехоустойчивости и ЭМС в устройствах СВТ.
3.
Рассмотреть фильтрацию экранирование и заземление в СВТ, как методы
обеспечения ЭМС.
Отчёт должен содержать:

Виды помех с указанием механизма их действия.

Перечень конструкторских мероприятий по обеспечению
указанием их области и частоты применения.

Схемы помехоподавляющих фильтров
ЭМС
с
Для выполнения работы по изучению раздела и подготовки отчёта
использовать основную и дополнительную литературу, конспект лекций
преподавателя, рекомендованные электронные ресурсы.
Отчёт зачитывается только при выполнении всех трёх пунктов.
Конструкторско - технологическое обеспечение надёжности СВТ.
Задание
1.
Изучить основные понятия надёжности.
2.
Провести рассмотрение количественных теоретических и практических
показателей
3.
По структурной схеме устройства составить надёжностную схему,
руководствуясь правилами.
4.
Подсчитать результирующие показатели надёжности системы.
5.
Ввести резервный блок с аналогичными основному показателями и
подсчитать надёжность.
6.
Ввести ещё один резерв в этот же блок, подсчитать надёжность.
7.
Произвести полное резервирование подсчитать надёжность.
Отчёт должен содержать:
1. Количественные показатели надёжности определение, взаимосвязь друг с
другом (формулы).
2. Структурную схему устройства.
3. Надёжностные схемы устройства без резерва и с разными видами
резервирования.
4. Расчёты показателей надёжности Тср , ƛ.
5. Выводы.
Для выполнения работы по изучению раздела и подготовки отчёта
использовать основную и дополнительную литературу, конспект лекций
преподавателя, рекомендованные электронные ресурсы.
Отчёт зачитывается только при выполнении всех пунктов задания.
Прочность и технологичность конструкции.
Цель: Ознакомится с понятиями прочности конструкции, изучить основы теории
сопротивления материалов.
Задание :
1. Изучить основные понятия теории сопротивления материалов: виды
нагрузок, деформации ,расчёт деформаций.
2. Произвести расчёты прочности и механической устойчивости печатной
платы.
Содержание отчёта:
1.
Реферат с основными понятиями теории сопротивления
материалов
Разделы реферата
- Понятия сил
- Виды опор
Виды нагрузок
Предельные напряжения.
2.
Расчёт устойчивости конструкции печатной платы к
механическим воздействиям по заданным характеристикам
Пример расчёта
Расчет 1-ой резонансной частоты.
Ширина платы (a) = 0,285 м;
Длина платы (b) = 0,175 м;
 = 1,85103 кг/м3 – плотность материала;
h = 1,510-3 м – толщина печатной платы;
E = 3,021010 Н/м2 – модуль упругости;
 = 0,22 – коэффициент Пуассона;
p = 1 – коэффициент зависящий от способа крепления;
q = 2 – коэффициент зависящий от способа крепления;
r = 1 – коэффициент зависящий от способа крепления;
1. Определяем цилиндрическую жесткость ПП:
3,02  1010 (1,5  10 3 ) 3
Eh 3
D

 8,926 H / м;
12 1   2
12(1  0,22 2 )
(21)
-


2. Расчет массы ПП:
mпп = abh = 0,2850,1751,510-31,85103 = 0,14 кг;
3. Расчет массы радиоэлементов
Микросхемы:
К1109КТ23 (10шт*1,5гр=15гр)
К561ЛЕ5 (2шт.  1,2гр = 2,4гр)
К561ЛП2 (1шт.  1,2гр = 1,2гр)
К561ИР2 (8шт.  1,5гр = 12гр)
К561ЛЕ10 (1шт.  1,2гр = 1,2гр)
К561ТМ2 (1шт  1,2гр=1,2гр)
К561ИЕ8 (1шт1,5гр=1,5гр)
Резисторы:
Конденсаторы:
Диод:
МЛТ-0.125 (4шт.  0,15гр = 0,6гр)
МЛТ-0.25 (1шт.  0,2гр = 0,2гр)
МЛТ-0.5 (70шт.  0,3гр = 21гр)
К50-6 (1шт.  1,5гр = 1,5гр)
КД522А (7шт.  0,15гр = 1,05гр)
Транзистор:
КТ813Г (1 шт1гр=гр)
Стабилитроны:
КС156А (1шт12гр=12гр)
(22)
Разъемы:
ОНД-КС(1шт.  0,2гр = 0,2гр)
D-SUB(1шт*4гр=4гр)
DIN(!шт*14гр=14гр)
mЭ = 1,5 + 2,4 + 1,2 + 12+1,2+1,2+1,5+0,6+0,2+21+1,5+1,05+1+0,2+4+14 =
77,55гр=0,077 кг;
4. Расчет резонансной частоты
1 
D

f РЕЗ  1,57  2 
b  mпп  m э .

ab
(23)
fрез =1,57(1/0,08+1/0,03)8,926/0,217/0,04=86,3Гц
Условие вибропрочности имеет вид fрез > 2fмах , где fмах – максимальная
частота воздействующих на плату вибраций.
Степень жесткости вибронагрузок (по заданию) равна III, для нее fмах = 30Гц.
Следовательно, условие вибропрочности выполняется fрез > 2fмах и никаких
дополнительных мер по повышению вибропрочности конструкции принимать не
надо.
2 Расчет изгибающего напряжения от линейного ускорения.
Максимальный прогиб при нагрузке Q = m(U + g) равен:
Прогиб при линейном ускорении и одиночном ударе:
1 (m  mэ )(U  g ) 3
Z   AZ  nn
a ;
E
bh 3
(25)
Zаа=0,16*1/3,02*1010 (0,14+0,077)(109,8+9,8)/0,175*(1,5*10-33 *0,2853
где l = a = 0,285 м ; AZ = 0,16;
1 (mnn  mэ )(U  g ) 3

b ;
E
ah 3
(26)
Zbb=0,16*1/3,02*1010 (0,14+0,077)(10*9,8+9,8)/0,285*(1,5*10-33 *0,1753
где l =b = 0,175 м ; AZ = 0,16;
Z = min{Zaa,Zbb};
(27)
Z = Zaa = 0,6103 м.
Расчет механического напряжения:
bu=4,8/0.081*3.02 *1010 *1,5*10-3*0,6*10-3 = 16,1*107 н/м2
Максимальный прогиб ПП при линейном ускорении и при одиночном ударе при
линейном ускорении 10g составляет – 0,610-3 м. Механическое напряжение –
161106 Н/м2.
Технический дизайн и эргономика в создании конструкции
Z   AZ
Цель: Изучить основы художественного конструирования, взаимодействия
оператор – устройство- среда. Получить навыки конструирования устройств СВТ с
учётом эргономических требований.
Задание:
1.Ознакомиться с предметом изучения дисциплин связанных с техническим
дизайном и эргономикой.
2. Изучить основные правила художественного конструирования
3. Изучить виды взаимодействий в системе оператор – устройство – среда.
4. Для заданного преподавателем типа устройства и предельным размерам
спроектировать систему органов управления и индикации.
Отчётные материалы
1.
Реферат по основам эргономического конструирования
- название
- требования к конструированию органов управления
- требования к конструированию индикации (оповещения)
2.
Проект системы органов управления и индикации.
- Текстовый документ описание- обоснование принятых решений
- Графические документы (чертежи, схемы устройства с указанным
положением органов управления и индикации)
Основы технологии производства ЭВМ.
Организация технологических процессов
Задание:
1. Изучить общие положения и состав системы ЕСТД.
2. Изучить состав и правила выполнения основных технологических документов
(маршрутная карта, операционная карта, карта технологического процесса).
3. После изучения разделов технологии изготовления модулей 1 и 2 уровней
подготовить карту технологического процесса (ТП) и маршрутную карту (МК)
изготовления печатной платы.
Отчётные материалы
1.
Состав системы ЕСКД с указанием разделов и их назначения.
2.
Классификация факторов влияющих на изделие
3.
Карта ТП и МК для заданного технологического процесса.
Для выполнения работы по изучению раздела и подготовки отчёта использовать
основную и дополнительную литературу, конспект лекций преподавателя,
рекомендованные электронные ресурсы.
Отчёт зачитывается только при выполнении обоих пунктов.
Конструктивные модули первого уровня.
Основные технологические процессы производства полупроводниковых
интегральных схем.
Задание:
1.
Изучить
основные
технологические
процессы
производства
полупроводниковых интегральных схем.
2.
Ознакомиться с методиками расчета режимов процесса диффузии.
3.
В соответствии с методикой определить для одно- и двух этапной
диффузии время диффузии и распределение примеси. Исходные данные
задаются преподавателем из таблицы.
4.
Ознакомиться с методикой расчета концентрации примесей при
эпитаксиальном процессе.
5.
Произвести расчёт профиля распределения примесей при эпитаксии.
6. Изучить основы теории термического оксидирования слоя кремния.
7. Произвести расчет параметров технологических процессов влажного и сухого
оксидирования.
Отчёт должен содержать:
1. Описание основных технологических процессов изготовления ППИС со
схематическим изображением применяемого оборудования.
 Диффузия примесей
 Эпитаксиальное выращивание
 Оксидирование
 Литография
 Металлизация
2. Расчёты согласно заданиям 3, 5 и7
Расчет распределения примеси при загонке термической диффузией
Исходные данные:
диффундирующая примесь - бор;
концентрация доноров в подложке N0=2,5-1015 см-3; глубина загонки
примеси х3=1,8-10"5 см; температура загонки Т3=9500С.
Определить: время загонки t1; интегральное количество введенной примеси
Р0, поступившей на единицу площади; распределение бора по глубине после
загонки примеси.
Порядок расчета.
Величины D1 и Ns при Т=9500С находим из таблицы 1.3 или из рис. 1.1 и
рис.1 4. D1=3•10'14см2/с - коэффициент диффузии бора в кремнии при Т3.
№=3,2-102°см'3 - предельная растворимость бора при Т3. Определим
соотношение N0/Ns и из таблицы 1.2 дополнительной функции интеграла
ошибок найдем величину
х/2^ D1t1 :
N0/Ns=7, 812540'6, тогда х3/2JDt =3, 1786 Время проведения диффузии будет
t1=x32/(4D^(3, 1786)2)=267,2 с или 4, 4 мин. Распределение примеси при
загонке определяем из выражения
x
N(x, t)=Nserfc(—-j=).
2V Dt
Результаты расчетов сведены в табл. 1.4.
Таблица 1.4
t, мин0
0,18 0,036 0,054 0,072
N, см-3
3,2^ 1020 2,09 1020 1,181020 5,681019 2,31 • 1019
t, мин0, 09 0, 1080,126 0, 1440, 162
N, см-3
7,871018 2,2^ 1018 5,31 • 1017 1,031017 1,671016
t, мин0, 18
N, см-3
2, 21015
График распределения бора при загонке показан на рис. 1.6. Интегральное
количество примеси Р0, введенное за время t, будет
P0=2 NsJDt = 1,02-1015см'2.
Проектирование технологического процесса изготовления ППИС
По своему варианту задания (простейшей схеме) выполнить следующие
действия:
1.
Выбрать технологический процесс создания активных элементов.
2.
Выбрать технологический процесс создания пассивных элементов.
3.
Определить количество технологических слоев.
4.
Определить используемые технологии для каждого слоя изготовления
активных и пассивных элементов.
5.
Произвести расчет пассивных элементов.
6.
Разработать необходимые маски для каждого слоя.
7.
Представить технологическую цепочку изготовления ППИС в виде
алгоритма с поэтапным изображением результатов в виде схем. Выделить
отдельно процесс металлизации, использовать двухслойную структуру.
Отчёт должен содержать:
1. Задание
2. Обоснование выбора технологических процессов.
3. Расчёт пассивных элементов.
4. Маски для проектируемых слоёв.
5. Технологическая цепочка изготовления ППИС в виде структурированного
по пунктам описания.
6. Поэтапное изображение результатов технологических операций в виде
рисунков – схем.
Для выполнения работы по изучению раздела и подготовки отчёта
использовать основную и дополнительную литературу, конспект лекций
преподавателя, рекомендованные электронные ресурсы.
Отчёт зачитывается только при выполнении всех пунктов.
Типовые технологические процессы изготовления МОП и биполярных
транзисторов.
Задание:
1.
Изучить типовые технологические процессы изготовления МОП и
биполярных транзисторов, а именно следующие
 процесс изготовления биполярного транзистора с изоляцией
обратносмещёнными p-n переходами,
 изопланарный процесс.
 Р и n канальные технологические процессы создания МДП
транзисторов.
2.
Создать технологическую карту процесса изготовления МДП транзистора
с P-каналом.
Отчёт должен содержать:
1.
Технологическую карту процесса изготовления МДП транзистора с Pканалом.
2.
Наглядное представление изученных типовых технологических процессов.
Отчёт зачитывается только при выполнении всех пунктов.
Подраздел 2.3 Конструктивные модули второго уровня.
Раздел 2.6. Технология выполнения защитных покрытий
Цель: Изучить виды покрытий и технологию их выполнения
Задание
1. Изучить виды защитных покрытий и их назначение.
2. Изучить технологические процессы выполнения покрытий.
3. Подготовить реферат по результатам изучения темы.
Отчётные материалы
1.Реферат
- Название
- Классификация покрытий
- Технология изготовления защитных покрытий
- Выбор защитного покрытия устройства для условий эксплуатации,
заданных преподавателем.
2. Составление отчета и подготовка к защите лабораторных работ
Цель : Повторение лекционного материала для составления отчёта,
систематизация полученных результатов.
Задание
1.
Систематизировать результаты выполнения работы
2.
Подготовится к ответам на контрольные вопросы
3.
Повторить лекционный материал.
3.
Контрольная работа
Цель работы: Получить практические навыки в создании конструкторской
документации.
Контрольная работа представляет собой разработку
конструкторской
документации проекта одного из электронных устройств, указанного в задании.
В процессе выполнения работы студенты проходят этапы проектирования и
создания конструкторской документации.
1.
Подготовка технического задания. (ТЗ )
ТЗ выполняется на основе данных задания на контрольную работу в
соответствии с ГОСТ . В ГОСТ указаны требования к составу и содержанию ТЗ.
2.
Выполнение этапа технического предложения
На основании ТЗ студенты создают документацию ПТ.
На этом этапе разрабатываются, различные варианты конструктивного и
схемного построения разрабатываемого устройства СВТ и дается сравнительная
оценка этих вариантов между собой и с аналогами.
Сюда относится выбор элементной базы, оперативной и внешней памяти и т.
д. Возможен выбор из уже существующих вариантов или их доработка с учётом
технического задания.
Результатом этапа является структурная схема устройства, краткое
техническое описание работы в соответствии со структурой. Возможно
выполнение эскизного варианта функциональной схемы.
В текстовом документе (пояснительная записка) даётся краткое описание
существующих решений, сравнительный анализ (возможно в виде таблицы с
реализуемыми функциями и параметрами). Также должны быть отражены вывода
(преимущества и недостатки выбранного варианта), существующая или созданная
критериальная функция с результатами оценки.
При наличии программного обеспечения, необходимо привести блок схему
создаваемого ПО.
Приводится также обоснованный
выбор языка программирования и
элементной базы.
3.
Технический проект.
На этом этапе детально отрабатываются схемные и конструкторские
решения, выпускаются чертежи на все элементы, узлы, блоки и устройства СВТ,
прорабатываются вопросы защиты от механических, климатических воздействий,
доступа при ремонте и контроле, привязки к объекту установки.
Разработка ведётся в соответствии со следующими этапами.
 На основании результатов этапа технического предложения
(структурная
схема
устройства,
выбор
элементной
базы)
разрабатывается функциональная схема устройства.
 Составляются описания логических функций (графы перехода,
таблицы истинности, формулы), реализуемых блоков устройства при
необходимости (приводятся на функциональной схеме).
 На основании функциональной схемы проектируется принципиальная
электрическая схема.
 Создание спецификации.
 Оценка принципиальной схемы с точки зрения ЭМС и защиты от
помех. Расчёт соответствующих элементов фильтров (при
необходимости). Внесение изменений в принципиальную схему.
 Проектирование (выбор ) схемы сетевого фильтра.
 Оценка размеров печатной платы с учётом будущей топологии и
выбранной элементной базы. Выбор размеров печатной платы с учётом
существующих стандартов.
 Выбор коммутационных устройств (кабелей, проводов, разъемов из
набора существующих).
 Создание схемы электрической соединений с учётом принципиальной
схемы и выбранных коммутационных устройств.
 Построение надёжностной структурной схемы и расчёт показателей
надёжности: интенсивности отказов и среднего времени наработки на
отказ. Схему проектировать без резервирования.
 Создание эксплуатационной документации. Необходимо создать
следующие документ «Инструкция по эксплуатации»

Уточнение спецификации на элементную базу (принципиальная
схема). Создание спецификации на устройство.
В результате разработки проекта в отчёте по контрольной работе должны
присутствовать следующие документы:
1. Текстовые
1.1. Техническое задание (ТЗ)
1.2. Пояснительная записка технического предложения (ПТ). Содержит
сравнительный анализ рассмотренных вариантов в виде таблицы,
критериальную функцию, основные технические характеристики
выбранного варианта устройства, обоснование выбранной элементной
базы, краткое описание функционирования устройства по структурной
схеме.
1.3. Техническое описание
работы спроектированного устройства с
ссылкой на графические документы.
1.4. Временные диаграммы работы устройства.
1.5. Расчёты надёжности.
1.6. Инструкция по эксплуатации.
2. Графические документы
2.1. Структурная схема устройства.
2.2. Функциональная электрическая схема.
2.3. Принципиальная электрическая схема.
2.4. Схема электрическая соединений
2.5. Надёжностная схема.
2.6. Спецификацию на элементную базу.
4.
Подготовка к экзамену
Цель: закрепление полученных в ходе изучения дисциплины знаний, умений и
навыков по определенному перечню вопросов для самоподготовки, включающему
теоретическую и практическую части.
5.5.3 Описание курсового проекта (курсовой работы)
Курсовой проект учебным планом не предусмотрен
6.Применяемые образовательные технологии
При реализации данной программы применяются инновационные технологии
обучения, активные и интерактивные формы проведения занятий, указанные в
таблице 2.
Таблица 2 - Применяемые образовательные технологии
Технологии
Виды занятий
Лекции Лаб.
Практ./
СРС Курсовой
раб.
Сем.зан.
проект
Семинар в диалоговом режиме
1
Групповая дискуссия
1
Интерактивные лекции
1
Виртуальное моделирование
Компьютерная симуляция
Разбор конкретных ситуаций
2
Использование компьютерных 2
слайдов
Интерактивные лекции, тренинг, виртуальное моделирование, работа в
команде, проблемное обучение, проектный метод, исследовательский метод.
6
Методы и технологии контроля уровня подготовки по дисциплине
6.3
Виды контрольных мероприятий, применяемых контрольноизмерительных технологий и средств.
1.
2.
3.
4.
Входное тестирование.
Защита лабораторных работ.
Контрольная работа.
Экзамен
6.4
Критерии оценки уровня освоения учебной программы (рейтинг).
Для оценки освоения теоретических и практических знаний по дисциплине
дисциплины используется рейтинговая система оценивания, позволяющая
стимулировать студентов к выполнению и сдаче работ в установленные сроки.
Лабораторная работа № 1 – 8- баллов.
Лабораторная работа № 2 – 8- баллов.
Лабораторная работа № 3 – 10- баллов.
Контрольная работа №1 – 25- баллов
Экзамен
0 – 49 баллов
Шкала оценок:
- допуск к экзамену – 51 балл (должны быть сданы все лабораторные
контрольная работа),
- «удовлетворительно»: 55-65 баллов,
- «хорошо»: 65-80 баллов,
- «отлично»: 81-100 баллов и более.
и
6.5
Контрольно-измерительные материалы и другие оценочные
средства для итоговой аттестации по дисциплине.
Пример входного контроля (контрольные вопросы к лабораторной работе)
1. Что представляет собой элемент схемы, функциональная группа,
функциональная часть и функциональная цепь?
2.Какие буквенно-цифровые коды используются для обозначения
электрических схем?
3.В чём принципиальная разница между структурной и функциональной
электрической схемами?
4.Чём отличаются совмещённый и разнесённый способы изображения на
схемах элементов и устройств?
5.Какие отличия между многолинейным и однолинейным изображениями
схемы?
6. Где на функциональных схемах указываются технические характеристики
функциональных частей?
7.Как на схемах изображаются линии связи?
Примеры контрольных вопросов к экзамену
Этапы разработки конструкторской документации.
1.
Виды конструкторской документации ( основные текстовые документы).
2.
Понятие о Единой системе конструкторской документации (ЕСКД).*
3.
Виды графических документов.
4.
Виды схем, виды электрических схем и правила их оформления.
5.
Теплообмен
в
аппаратуре.
Теплофизические
параметры
полупроводниковых приборов.
6.
Законы теплообмена. Теплопроводность, конвекция, тепловое
излучение.
7.
Теплопроводность. Методы повышения теплопроводности.
8.
Тепловая модель и принципы теплового расчета. Электротепловая
аналогия.
9.
Электромагнитная совместимость и защита от помех - общие понятия.
Экранирование. Фильтрация помех.
10.
Электромагнитная совместимость и защита от помех - общие понятия.
Заземление.
11.
Схемно-конструкторские аспекты возникновения помех: монтажные
соединения; интегральные схемы; схемы сопряжения.
12.
Схемно-конструкторские аспекты возникновения помех: контактные
соединения; печатный монтаж; проводной монтаж.
13.
Надежность. Основные понятия и показатели. Надежность
невосстанавливаемых изделий.
14.
Надежностные схемы устройств .Схемы с резервированием, виды
резервирования, формулы расчета надежностных
(параллельное и
последовательное соединение) схем.
15.
Аппаратная и информационная избыточность.
16.
Факторы, влияющие на «жизнь» изделия (вызывающие немедленную
реакцию, вызывающие постепенную реакцию).
17.
Эргономические основы конструирования устройств ВТ.
18.
Организация взаимодействия в системе оператор (человек)- машина.
19.
Виды интегральных схем, их краткие характеристики.
20.
Основные этапы изготовления микросхем - общая схема процесса.
Изготовление пластин и подложек. Резка монокристаллов.
21.
Виды очистки, применяемые в изготовлении интегральных схем (ИС)
22.
Элементы полупроводниковых (ПП) ИС ( транзисторы, конденсаторы,
резисторы).
23.
Литография. Фотолитография. Электронная литография.
24.
Диффузия примесей. Технология выполнения диффузионного
легирования.
25.
Ионное внедрение и технология его выполнения.
26.
Эпитаксиальное
выращивание.
Технология
выполнения
эпитаксиального процесса.
Термическое оксидирование, технология изготовления.
Металлизация. Последовательность выполнения изготовления контактов
и межсоединений в ИС. Материалы для контактов и коммутирующего слоя в
ПП ИС.
29.
Технологический процесс изготовления биполярной ИС с изоляцией р-n
переходами.
30.
Технология производства ИС на МДП -транзисторах . Р - канальная
технология.*
31.
Технология производства ИС на МДП-транзисторах с поликремневыми
затворами.
32.
Монтаж кристаллов. Изготовление контактов . Установка кристаллов в
корпус. Испытания микросхем.
33.
Технология производства печатных плат:
виды печатных плат,
механическая обработка, материалы для печатных плат.
34.
Технология производства печатных плат. Получение рисунка печатной
платы.
35.
Химический и комбинированный позитивный процесс изготовления
печатных плат.
36.
Типовой технологические процессы изготовления печатных плат (маска
поверх открытой меди), метод металлизации сквозных отверстий.
37.
Пайка. Групповые методы пайки.
38.
Понятие о ЕСТД, технологические документы
39.
Конструирование печатных плат.
40.
Технология сборки двусторонних печатных плат с поверхностными и
вставляемыми в отверстия элементами.
41.
Виды монтажных соединений (кроме пайки).
42.
Пайка. Инфракрасная пайка, пайка в парогазовой фазе ПГФ. Локальная
пайка.
43.
Технология сборки двусторонних печатных плат с поверхностными и
вставляемыми в отверстия элементами.
27.
28.
Пример экзаменационного билета
1. Виды графических документов.
2. Конструирование печатных плат.
7
Рекомендуемое информационное обеспечение дисциплины
1.1 Основная учебная литература
Пирогова Е. В. Проектирование и технология печатных плат : учеб. для
вузов по направлению «Проектирование и технология электронных средств»
/ Е. В. Пирогова . – М.: Форум ИНФРА-М, 2011. – 559,[1] с.
2.
Конструирование и технология производства ЭВМ : конспект лекций /
М.П.Сидоров; Иркут. гос. техн. ун-т Ч.1, 2004. - 58 с.
3.
Конструкторско-технологическое проектирование электронной
аппаратуры: Учебник для вузов / К.И. Билибин, А.И. Власов, Л.В. Журавлева
и др.; Под общ. ред. В.А. Шахнова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во
1.
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. — 568 с.: ил. — (Информатика в техническом
университете).
4.
Сборка и монтаж электронных устройств, Медведев А.М. Москва:
Техносфера, 2007. - 256 с.
1.2.
Дополнительная учебная и справочная литература.
1.
Савельев М. В.
Конструкторско-технологическое обеспечение
производства ЭВМ: Учеб. пособие для вузов. —М.: Высш. шк. 2001. — 319
с.: ил
2.
Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование:
Учеб.пособие для вузов по спец. “Конструирование и производство
электронно-вычислительной аппаратуры” / Коледов Л. А., Волков В. А.,
Докучаев Н. И. и др.; Под ред. Л. А. Коледова. – М.: Высш. шк., 1984. – 231 с.
3.
Пономарев М. Ф., Коноплев Б. Г. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь,
1986. – 176 с.
4.
Романов Ф.И., Шахнов В.А. Конструкционные системы микро и
персональных ЭВМ. М.: Высшая школа, 1991 – 272 с.
5.
Чернышов А.А. Основы конструирования и надежности электронных
вычислительных средств. Учебник для ВУЗов. – М.: Радио и связь, 1998. –
448 с
6.
Ушаков Н.И. технология производства ЭВМ. М. :Высшая школа, 1991
– 416 с.
7.3
Электронные образовательные ресурсы:
7.3.1
Ресурсы ИрГТУ, доступные в библиотеке университета или в
локальной сети университета.
1.
Сетевой диск кафедры ВТ, У:\Common\
2.
Медведев А. М. Сборка и монтаж электронных устройств. Мир
электроники
М.:
РИЦ
"Техносфера",
2007.
256
с.
(http://www.biblioclub.ru/book/89013/)
3.
Коледов Л.А. Технология и конструкция микросхем, микропроцессоров
и
микросборок.
Изд-во
"Лань",
2009.
400
с.
(http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=192)
7.3.2
Ресурсы сети Интернет
http://umup.narod.ru/
http://ixbt.com/
http://www.p gurovich.com/
http://www.litagents.ru/
http://elemcom.ru/
http://www.emci.ru/
http://www.emctest.ru/
http://www.specemc.ru/
http://www.pcad.ru/
http://www.electrosad.ru/
http://ictech.com.ua/
http://cxem.net/
8
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Рекомендуемые специализированные программные средства
АСОНИКА-ТМ
SPLAN
SRIM
Reliability
Termo
ExpresPCB
Altium Designer
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лекции по дисциплине проводятся в мультимедийном классе, оборудованном
проектором и экраном (В-108). Лабораторные работы по дисциплине проводятся в
компьютерном
классе
кафедры
вычислительной
техники
(В-106/208,
оборудованном проектором с экраном, 16 ПК).
9
Программа составлена в соответствии с образовательным стандартом высшего
профессионального образования по направлению 230100 «Информатика и
вычислительная техника» (квалификация (степень) «бакалавр»).
Программу составил:
Сидоров М.П., доцент кафедры вычислительной техники, к.т.н.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа