Вам бонус- начислено 1 монета за дневную активность. Сейчас у вас 1 монета

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Лекция



Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про микроминиатюризация, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое микроминиатюризация, масса и габариты рэс , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры.

Микроминиатюриза́ция — направление научно-технической деятельности, основными задачами которого являются уменьшение габаритов, массы и стоимости радиоэлектронной аппаратуры при одновременном повышении ее надежности и экономичности за счет совершенствования схемотехнических, конструкторских и технологических методов. Тенденция микроминиатюризации представляет собой непрерывный процесс, который опирается главным образом на достижения микроэлектроники, в том числе на использование интегральной технологии. микроминиатюризация позволяет снизить энергопотребление, повысить быстродействие, упростить конструкцию и расширить функциональные возможности как отдельных электронных приборов, так и сконструированных на их основе устройств[

Цели и задачи микроминиатюриза́ции

  • Уменьшение массы и габаритов
  • Снижение стоимости
  • Повышение надежности

Под надежностью электронной аппаратуры в широком смысле понимается ее способность безотказно выполнять заданные функции в течение требуемого промежутка времени. Основной причиной отказов является выход из строя отдельных элементов, поэтому средняя частота отказов электронного устройства в целом определяется надежностью всех входящих в него элементов. Надежность электронной аппаратуры, в частности, может быть повышена за счет автоматизации производства и применения микроминиатюрных электрорадиоэлементов, таких как интегральные схемы и приборы функциональной электроники. Эти меры позволяют значительно сократить число паяных соединений, которые в определенных случаях являются причиной отказов. Кроме того, применение функциональных приборов практически полностью исключает отказы, обусловленные различными коэффициентами линейного расширения составных частей конструкции, так как они часто выполняются на базе однородного материала. Благодаря уменьшению габаритов электронной аппаратуры также появляется возможность выполнять сплошную герметизацию, что усиливает защиту от воздействия окружающей среды и повышает механическую прочность конструкции.

  • Уменьшение потребляемой мощности
  • Повышение быстродействия
  • Упрощение конструкции
  • Расширение функциональных возможностей

Показатели микроминиатюризации

Плотность упаковки

Одним из основных показателей, характеризующих степень миниатюризации электронной аппаратуры, является плотность упаковки, показывающая число элементов электрической схемы или цепи (электрических сопротивлений, емкостей, индуктивностей и др.), заключенных в единице объема электронного устройства. Плотность упаковки в значительной степени зависит от используемой элементной базы, рациональности компоновки, конструктивных потерь из-за монтажа, несущих конструкций, теплоотводящих и прочих элементов защиты. Так, например, плотность упаковки электронной аппаратуры на основе электронных ламп достигает 0,3 эл/см3, на основе модульных конструкций и дискретных полупроводниковых элементов — 2,5 эл/см3, а на основе микромодулей — свыше 10 эл/см3. Еще большей степени миниатюризации можно добиться за счет использования изделий интегральной электроники, при этом плотность возрастает вплоть до нескольких тысяч элементов в 1 см3. Стоит отметить, что данный показатель может быть использован для оценки не только конечных электронных устройств, но отдельных интегральных схем. В этом случае плотность упаковки показывает число элементов (чаще всего транзисторов), приходящихся на единицу площади полупроводникового кристалла.

Методы микроминиатюризации

Стандартизация форм и типоразмеров

Печатный монтаж

Штыревой монтаж

Поверхностный монтаж

Применение модульных конструкций и дискретных элементов

Микромодульное конструирование

Микромодульный метод конструирования радиоэлектронной аппаратуры широко применялся во второй половине 1950-х и в течение 1960-х годов. Микромодули представляют собой миниатюрные функционально законченные узлы, которые не подлежат ремонту и в случае неисправности заменяются целиком. В соответствии со своей электрической схемой каждый микромодуль выполняет определенную функцию — усилителя, генератора, триггера и т. п. Микромодули собираются из отдельных деталей (микроэлементов), объединенных в общую конструкцию стандартной формы и размеров, обеспечивающую их герметизацию и защиту от внешних воздействий. Промышленностью выпускались плоские, этажерочные, цилиндрические, таблеточные и другие виды микромодулей. Наиболее широкое распространение в свое время получили этажерочные и плоские микромодули .

Плоские микромодули представляют собой односторонние или двусторонние печатные платы с миниатюрными элементами, смонтированными методом пайки или приклейки электропроводящим клеем, защищенные от внешних воздействий металлическим колпачком и эпоксидным компаундом. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Плоские микромодули имеют фиксированную ширину, а длина и высота их могут варьироваться в зависимости от числа и конструктивных особенностей входящих в них элементов .

Этажерочный микромодуль отличается от плоского тем, что для размещения микроэлементов используется конструкция типа «этажерки», в которой горизонтальными полками являются микроплаты, а вертикальными — соединительные проводники (перемычки). Схемные элементы этажерочного микромодуля могут быть печатными или навесными. Обычно на микроплату устанавливают с одной стороны один элемент, оставляя вторую сторону свободной. После сборки и пайки микромодуль также герметизируют компаундом[10][11].

Интегральная электроника

  • Пленочные интегральные схемы
  • Гибридные интегральные схемы
  • Полупроводниковые интегральные схемы

Функциональная электроника

  • Акустоэлектроника
  • Магнитоэлектроника
  • Оптоэлектроника
  • Диэлектрическая электроника
  • Молекулярная электроника

Применение наноэлектронных приборов

Проблемы микроминиатюризации

Рассеивание тепла

Когда через электронный прибор (например, транзистор) протекает электрический ток, происходит выделение тепловой энергии. Если это тепло не отводится в окружающую среду, то температура прибора начинает возрастать. В результате уменьшения габаритов элементной базы, обусловленного процессом микроминиатюризации, сокращается площадь поверхности, через которую теплота может быть отведена от электронного прибора. Кроме того, увеличивается плотность компоновки аппаратуры, то есть возрастает количество элементов, размещенных в единице объема устройства. Так как тепловыделение элементов при этом останется практически неизменным, это приводит сначала к ухудшению естественного конвекционного и лучистого охлаждения, а затем — к превышению допустимой рабочей температуры и, соответственно, выходу устройства из строя. Таким образом, дальнейшая миниатюризация становится невозможной без введения дополнительных мер по обеспечению требуемого температурного режима. Решается проблема отвода тепла путем снижения мощностей рассеивания, введения дополнительных средств отвода тепла (радиаторов, тепловых трубок, элементов Пельтье и др.), заключения отдельных частей в пластик для отвода тепла посредством теплопроводности, а также разработки новых элементов и материалов, способных функционировать под воздействием более высоких температур[12][13].

Тирания межсоединений

  • Макроуровень «Тирания межсоединений» на макроуровне ограничивает развитие суперкомпьютеров Каждый процессор в параллельной системе связан с большим количеством других. Количество связей занимает намного больший объем, чем сами процессоры.

  • Микроуровень «Тирания соединений» на микроуровне сдерживает развитие сверхсложных микросхем Проблема межсоединений на микроуровне резко обострилась при переходе к размерам транзисторов порядка 0,25 мкм. При большом числе транзисторов в ИС сетка соединений необычайно сложна и занимает значительную часть площади поверхности пластины (до 85% для БИС). Один из путей уменьшения занимаемой межсоединениями площади кристалла - это переход на многоуровневую разводку. Однако надежность таких схем резко падает из-за возникновения случайных контактов через микротрещины, образующиеся в тонких слоях диэлектрика.

Точность изготовления

Физические пределы микроминиатюризации

Взаимосвязь микроминиатюризации и масса (габариты) РЭС,

Снижение массы РЭС (радиоэлектронных средств) имеет большое значение для расширения возможностей удовлетворения информационных потребностей общества. Во многих случаях масса (габариты) РЭС имеет определяющее значение для возможностей его применения. Особенно критичны требования к массе РЭС при их использовании на самолетах, ракетах, ИСЗ.

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Если масса бортовой РЭС превышает определенный уровень, то теряется смысл их установки, так как недопустимо снижается масса полезной нагрузки (пассажиры, научная аппаратура), ради которых создается самолет, ракета, ИСЗ. Конечно, можно повышать мощность носителя, его грузоподъемность и т. п. Но при этом приходится в значительно большей мере увеличить их массу по сравнению с РЭС.

В табл. 3.2 дано изменение Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС для разных носителей, где Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС — увеличение массы объекта установки (носителя), необходимое для сохранения его параметров при установке РЭС; Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС — масса РЭС; Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭСкоэффициент увеличения массы.

Очевидна целесообразность уменьшения массы РЭС, тем более, что часто микроминиатюризация приводит к повышению технологичности и снижению стоимости. Однако иногда снижение Орэс приводит к возрастанию их стоимости, например при использовании заказных БИС, золоченых контактов, микроминиатюрных ЭРЭ, в которых применены дорогие материалы, а также при уменьшении выхода годных. Нужно иметь в виду, что для бортовых РЭС обычно оправдано уменьшение массы РЭС даже при увеличении затрат. Рассмотрим оптимизацию совокупности затрат на РЭС и носитель в связи с увеличением его массы и стоимости при установке РЭС. Приращение затрат на носитель при установке РЭС:

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС (3.3)

где Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС — коэффициент пропорциональности, показывающий затраты на один килограмм носителя.

Затраты на РЭС получим, полагая, что они увеличиваются при уменьшении массы. Положим, что справедлива обратная пропорциональность. Тогда

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС (3.4)

где Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС — коэффициент, отражающий увеличение затрат на РЭС при их усложнении; a — показатель степени, отражающий скорость изменения затрат на РЭС при изменении Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС. Тогда общие затраты Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС равны:

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Продифференцировав по QРЭС и приравняв производную нулю, найдем массу РЭС, дающую минимум затрат на носитель и РЭС при установке РЭС:

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС (3.5)

Предположим, что комплекс РЭС самолета имеет при первоначальной конструкции массу 300 кг и затраты составляют 105 руб. Тогда при a=1 aрэс=3 107 рубкг. Оптимальная масса РЭС в предположении справедливости (4) при аоу=100руб/кг, КQ==15 составит

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭСМикроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Следовательно, для уменьшения суммарных затрат целесообразно переработать конструкцию РЭС, допустив увеличение затрат на изготовление примерно в два раза (например, за счет повышения степени интеграции и использования заказных БИС; введения многослойного печатного монтажа с минимальными толщиной слоев, шириной проводников и расстояниями между ними; применения наиболее компактных соединителей и т. п.).

Микроминиатюризация процессоров Intel

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Физические ограничения микроминиатюризации

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Минимальную длину канала ограничивает эффект, связанный со смыканием областей истока и стока при приложении напряжения к стоку VDS . Поскольку ширина lоб p -n -перехода, смещенного в обратном направлении, равна

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

то минимальная длина канала

1) больше удвоенной ширины p-n-перехода Lmin >2 lоб

2) прямо пропорциональна корню квадратному от напряжения питания

3) обратно пропорциональна корню квадратному от уровня легирования подложки.

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

При толщине окисла dox =100 A и концентрации акцепторов NA = 1017 см–3 возможно создание МОП-транзистора с длиной канала L =0,4 мкм при напряжении питания 1 — 2 В. Дальнейшее увеличение легирующей концентрации в подложке может привести к туннельному пробою p + -n + -перехода.

Возможные направления для дальнейшей миниатюризации и повышения быстродействия

  • •Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика
  • •Наращивание областей истока/стока
  • •Технология «Кремний-на-изоляторе» (SiO2)
  • •Транзистор с SiGe-каналом

Уменьшение толщины подзатворного диэлектрика

Подзатворным диэлектриком является диоксид кремния, уменьшение толщины которого приводит к увеличению электрического поля (поперечного, что создает инверсионный слой в канале) через оксид.

По мнению представителей корпорации Intel, существует теоретическая возможность создать работающий транзистор с толщиной подзавторного диэлектрика, равной размерам одного атома.

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Наращивание областей истока/стока (SDE – Source/Drain Extension)

Наращивание областей истока и стока позволяет предотвратить деградацию характеристик полевого транзистора и уменьшает вероятность пробоя подзатворного диэлектрика.

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Технология SiO2 (Кремний на изоляторе)

Создание дополнительного слоя SiO2 сокращает паразитные емкости, а следовательно, позволяет добиться более высокой скорости переключения транзистора.

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

МОП транзистор с SiGe каналом

Применение SiGe канала увеличивает скоростные характеристики транзистора за счет более высокой подвижности дырок. Однако преимущество уменьшается при сокращении длины канала.

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Транзисторы, созданные в лабораториях Intel

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Размеры современного МОП транзистора сравнимы с размерами молекулы ДНК

Микроминиатюризация , масса (габариты) РЭС

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

Статью про микроминиатюризация я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое микроминиатюризация, масса и габариты рэс и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры

создано: 2014-09-13
обновлено: 2022-01-19
132512



Рейтиг 9 of 10. count vote: 2
Вы довольны ?:


Найди готовое или заработай

С нашими удобными сервисами без комиссии*

Как это работает? | Узнать цену?

Найти исполнителя
$0 / весь год.
  • У вас есть задание, но нет времени его делать
  • Вы хотите найти профессионала для выплнения задания
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • Приорететная поддержка
  • идеально подходит для студентов, у которых нет времени для решения заданий
Готовое решение
$0 / весь год.
  • Вы можите продать(исполнителем) или купить(заказчиком) готовое решение
  • Вам предоставят готовое решение
  • Будет предоставлено в минимальные сроки т.к. задание уже готовое
  • Вы получите базовую гарантию 8 дней
  • Вы можете заработать на материалах
  • подходит как для студентов так и для преподавателей
Я исполнитель
$0 / весь год.
  • Вы профессионал своего дела
  • У вас есть опыт и желание зарабатывать
  • Вы хотите помочь в решении задач или написании работ
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • подходит для опытных студентов так и для преподавателей



Комментарии


Оставить комментарий
Если у вас есть какое-либо предложение, идея, благодарность или комментарий, не стесняйтесь писать. Мы очень ценим отзывы и рады услышать ваше мнение.
To reply

Конструирование и проектирование электронной аппаратуры

Термины: Конструирование и проектирование электронной аппаратуры