Микроминиатюризация

Микроминиатюриза́ция — направление научно-технической деятельности, основными задачами которого являются уменьшение габаритов, массы и стоимости радиоэлектронной аппаратуры при одновременном повышении ее надёжности 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^{[1][2][3][4][5]}.

Цели и задачи

Уменьшение массы и габаритов

Снижение стоимости

Повышение надёжности

Под надёжностью электронной аппаратуры в широком смысле понимается её 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 надёжностью всех входящих в него элементов. Надёжность электронной аппаратуры, в частности, может быть повышена за счёт автоматизации производства и применения микроминиатюрных электрорадиоэлементов, таких как интегральные схемы и приборы функциональной электроники. Эти меры позволяют значительно сократить число паяных соединений, которые в определённых 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, ёмкостей, индуктивностей и др.), заключённых в единице объёма 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 счёт 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

Основная статья: Типоразмер

Печатный монтаж

Основная статья: 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 определённую функцию — усилителя, генератора, триггера и т. п. Микромодули собираются из отдельных деталей (микроэлементов), объединённых 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 своё время получили этажерочные и плоские микромодули^[6][7][3][8].

Плоские микромодули представляют собой односторонние или двусторонние печатные платы с миниатюрными элементами, смонтированными методом пайки или приклейки электропроводящим клеем, защищённые от внешних воздействий металлическим колпачком и эпоксидным компаундом. Плоские микромодули имеют фиксированную ширину, а длина и высота их могут варьироваться в зависимости от числа и конструктивных особенностей входящих в них элементов^[9].

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

Основные статьи: Микроэлектроника и Интегральная схема

Плёночные интегральные схемы

Гибридные интегральные схемы

Полупроводниковые интегральные схемы

Функциональная электроника

Основная статья: Функциональная электроника

Акустоэлектроника

Магнитоэлектроника

Оптоэлектроника

Диэлектрическая электроника

Молекулярная электроника

Применение наноэлектронных приборов

Основная статья: Наноэлектроника

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, размещённых в единице объёма 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 путём 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

Основная статья: Трассировка печатных плат

Микроуровень

Основная статья: Трассировка интегральных схем

Точность изготовления

Физические пределы микроминиатюризации

Основные статьи: Квантовые эффекты и Туннельный эффект

См. также

• Надёжность
• Закон Мура

Примечания

1. Азарх и Фрид, 1963, Глава первая. Цели и задачи микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры, с. 7—8.
2. Высоцкий, 1978, Глава первая. Задачи микроэлектроники и основные принципы проектирования микроэлектронной аппаратуры, с. 10—13.
3. Пролейко, 2009, Лекция 4. Микроэлектроника. Краткие основы и история развития, с. 122—124.
4. Белевцев, 1971, Глава I. Характерные особенности радиоаппаратуры, с. 12—20.
5. Кэлиш, 1975, Глава первая. Введение в микроэлектронику, с. 5.
6. Азарх и Фрид, 1963, Глава вторая. Основные направления микроминиатюризации, с. 23—30.
7. Ефимов и Козырь, 2008, Глава 1. Основные положения микроэлектроники и направления её развития, с. 15.
8. Ушаков, 1976, Часть третья. Технология изготовления функциональных элементов и общая сборка ЭВМ, с. 222.
9. Ушаков, 1976, Часть третья. Технология изготовления функциональных элементов и общая сборка ЭВМ, с. 233—237.
10. Ефимов и Козырь, 2008, Глава 1. Основные положения микроэлектроники и направления её развития, с. 15—18.
11. Ушаков, 1976, Часть третья. Технология изготовления функциональных элементов и общая сборка ЭВМ, с. 222—228.
12. Азарх и Фрид, 1963, Глава первая. Цели и задачи микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры, с. 12—14.
13. Кэлиш, 1975, Глава третья. Основные положения микроэлектроники, с. 51—52.

Источники

• Азарх С. Х., Фрид Е. А. Микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 80 с. — 47 000 экз.
• Алексенко А. Г., Бадулин С. С., Барулин Л. Г. и др. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры / под ред. Б. Ф. Высоцкого. — М.: Советское радио, 1978. — 352 с. — (Проектирование радиоэлектронной аппаратуры на интегральных микросхемах).
• Базовые лекции по электронике / Сб. под общ. ред. В. М. Пролейко. — Москва: Техносфера, 2009. — Т. Том II. Твёрдотельная электроника. — 608 с. — 1500 экз. — ISBN 978-5-94836-215-1.
• Белевцев А. Т. Технология производства радиоаппаратуры. — Изд. 2-е, переработанное и дополненное. — М.: Энергия, 1971. — 544 с.
• Ефимов И. Е., Козырь И. Я. Основы микроэлектроники. — 3-е изд. — СПб.: Лань, 2008. — 384 с. — 2000 экз. — ISBN 978-5-81140-866-5.
• Кэлиш И. Х. Микроминиатюрная электроника = Microminiature Electronics / Пер. с англ. В. С. Першенкова. — М.: Энергия, 1975. — P. 216.
• Сорин Я. М. Надёжность радиоэлектронной аппаратуры. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1961. — 72 с. — 46 000 экз.
• Ушаков Н. Н. Технология элементов вычислительных машин. — Изд. 2, перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1976. — 413 с. — 30 000 экз.