7.3. Тенденция развития рэа

Процесс развития РЭА обусловлен требованиями постоянного усложнения выполняемых функциональных задач и расширением областей применения. При этом функциональная сложность РЭА за каждое пятилетие в последние 25 лет увеличивается примерно в 10 раз. Функциональная сложность РЭА определяет аппаратурную сложность и обычно оценивается числом схемных или активных элементов. С увеличением последней возникает проблема, как разрешить противоречия в цепочке взаимодействующих и часто противоречивых факторов: сложность — надежность — масса (объем) — энергопотребление — стоимость — сроки разработки. Решение этой проблемы, как показывает весь процесс развития РЭА, в первую очередь возможно и должно заключаться в созда­нии и совершенствовании новой элементной базы, новых методов конструирования и формообразования, новой технологии изготов­ления, что определяет смену «поколений» РЭА.

В настоящее время различают четыре ярко выраженных поко­ления РЭА. Различные поколения аппаратуры имеют свои конст­руктивные и технологические особенности. >В блоках аппаратуры первого поколения основу конструкции составляли металлические панели и шасси, в которых наряду с электровакуумными прибора­ми крепились резисторы, конденсаторы, дроссели, трансформато­ры. Монтаж осуществлялся гибкими проводами. Для внутреннего монтажа и в качестве несущих конструкций в аппаратуре второго поколения начали применяться односторонние и двусторонние пе­чатные платы, а в аппаратуре третьего и четвертого поколений —■ многослойные печатные платы и гибкие печатные кабели.

Частично в аппаратуре второго поколения, и в большей степе­ни в аппаратуре третьего и четвертого поколений возникла тен­денция выделения функциональных узлов электронной схемы в са­мостоятельные конструкции. В аппаратуре второго поколения та­ковыми являются унифицированные функциональные узлы и мик­ромодули, в аппаратуре третьего и четвертого поколений — ин­тегральные микросхемы и микросборки (МСБ).

Переход к каждой новой ступени технического уровня РЭА неразрывно связан с изменением арсенала технических средств, находящихся в распоряжении разработчика. Это в равной мере относится к элементам конструкции, технологии изготовления ап­паратуры, элементам схемы, схемным решениям и методам их рас­чета. Одновременно происходит перестройка психологии разработ­чика, над которым довлеет опыт создания и эксплуатации аппа­ратуры предыдущего поколения.

Применение ИС и МСБ в РЭА привело к появлению ряда осо­бенностей в подходе к проектированию электронных устройств. Одной из основных особенностей проектирования микроэлектрон­ной аппаратуры (МЭА) является стандартизация схемных реше­ний и конструкций. Это избавляет разработчика от необходимости расчета элементарных функциональных узлов и позволяет перейти к функционально-модульному методу проектирования, зародивше­муся еще в недрах аппаратуры второго поколения. Стандартиза­ция конструкций ИС и МОБ дает возможность получить оптималь­ные габариты аппаратуры, повысить ее надежность и удешевить производство за счет автоматизации и механизации сборочно-мон- тажных работ при изготовлении. Однако при функционально-мо­дульном проектировании остро встает вопрос электрического, кон­структивного и технологического согласования ИС различных ком­плексов. Искусство разработчика теперь проявляется в выборе та­кого сочетания, которое обеспечивает совместную безотказную ра­боту, оптимальную компоновку в конструкции и возможность ав­томатизированного производства.

Увеличение плотности печатного монтажа МЭА является при­чиной того, что в новом качестве встает вопрос защиты от наво­док и помех. Эта проблема решается схемотехническими и конст­рукционными средствами: применением ИС с наилучшей помехоус­тойчивостью, соответствующей организацией схемы, применением согласующих узлов или увеличением амплитуды сигнала на уча­стках с геометрически длинными связями, соответствующими рас­положением связей на подложках микросборок и печатных пла­тах. Это обстоятельство требует полного взаимопонимания и пе­ресмотра традиционных форм взаимодействия схемотехнических, конструкторских и технологических служб.

Существенно изменилось и отношение к технологической подго­товке производства МЭА. Требования к точности производитель­ности оборудования для сборочно-монтажных и контрольно-наст­роечных работ возросли настолько, что выполнение их без приме­нения соответствующего оборудования и контрольно-измеритель­ной аппаратуры (КИА) практически невозможно. Это оборудова­ние по сложности и стоимости подчас не уступает изготавливае­мой аппаратуре. Поэтому при проектировании аппаратуры осо­бенно важно учитывать интересы производства, т. е. возможность применения стандартного технологического оборудования. Это предъявляет дополнительные требования к квалификации конструк­торов и разработчиков микроэлектронной аппаратуры.

Из изложенного видно, что при проектировании РЭА на ИС и МСБ необходимо принимать во внимание большое количество раз­нообразных факторов. Вместе с возросшей функциональной слож­ностью аппаратуры, это обстоятельство чрезвычайно усложняет процесс проектирования. Поэтому проектирование МЭА в настоя­щее время не мыслится без автоматизации рабочего процесса по­средством использования ЭВМ. В первую очередь автоматизиру­ются наиболее трудоемкие операции конструирования, связанные с переработкой больших массивов информации: размещение эле­ментов на печатных платах (или коммутационных подложках), разводка печатных или пленочных соединений, составление отдель­ных видов технической документации.

Развитие сложных радиоэлектронных устройств с применени­ем ИС и МСБ, значительные затраты на этапах проектирования и изготовления МЭА вызвали необходимость осуществления мак­симальной типизации конструкторских решений при создании РЭА. В этих условиях особо важное значение приобретают вопро­сы стандартизации и унификации конструкций аппаратуры, ус­пешное решение которых позволит резко сократить затраты на ее проектирование, производство и эксплуатацию.

Унификация и стандартизация приобретают особенно важное значение в условиях разработки аппаратуры разнообразного так­тико-технического назначения, которая производится мелкими се­риями. В этом случае проведение унификации и стандартизации как внутривидовой, так и межвидовой в сочетании с внедрением базовых конструкций позволит не только значительно сократить трудоемкость и стоимость разработок, но перейти с мелкосерий­ного производства на крупносерийное. При этом существенно уве­личивается количество однотипных модулей аппаратуры, облегча­ется освоение ее на серийном заводе, а значит, уменьшается и стоимость ее изготовления. Наибольший эффект унификация и стандартизация может дать на этапах разработки, производства и эксплуатации только при комплексном подходе к решению вопро­са, т. е. внедрении модульного принципа построения и осуществ­ления унификации и стандартизации как схемных, так и конст- рукторско-технологических решений модулей аппаратуры, что поз­воляет максимально использовать унифицированные модули для создания различных устройств аппаратуры.

Эффективным является создание базовых конструкций и при менение модульного принципа компоновки аппаратуры из стан­дартных, функционально-законченных модулей вплоть до аппара­турного уровня. Создание базовых конструкций в сочетании с мо­дульным принципом компоновки аппаратуры обеспечит возмож­ность быстрее и дешевле разрабатывать для различных заказчи­ков аппаратуру аналогичного назначения.

Унификация конструкций позволяет: сократить сроки проекти­рования новых изделий благодаря использованию готовых прове­ренных конструкторско-технологических решений; сократить сроки и снизить затраты на подготовку производства новых изделий, при­меняя типовые технологические процессы производства и группо­вые методы обработки; снизить затраты на производство изделий (уменьшить себестоимость), увеличив серийность изделий и, как следствие, повысив уровень механизации и автоматизации произ­водственных процессов; повысить качество изделий за счет уни­фицированных составных частей, качество которых обеспечивает ся наличием проверенных в производстве методов и средств конт­роля; снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт из­делий благодаря возможности замены вышедших из строя унифи­цированных деталей и узлов новыми без дополнительной подгонки и с минимальными регулировкой и подстройкой; организовать спе­циализированные производства унифицированных деталей и сбо­рочных единиц.

Основным направлением технического прогресса в конструиро вании аппаратуры является комплексная миниатюризация, под ко торой понимается процесс миниатюризации всех без исключения ее функциональных узлов и устройств. При этом наряду с умень­шением массы и объема обеспечивается улучшение эксплуатаци­онных и экономических показателей аппаратуры. Комплексная ми­ниатюризация обеспечивает возможность создания высокотехно­логичных конструкций и, как следствие, повышение эффективности производства аппаратуры.

Понимая под технологичностью комплекс взаимосвязанных кон­структорских и технологических факторов, обеспечивающих сокра­щение сроков разработки новых видов аппаратуры, сроков ее про­мышленного освоения и обеспечение серийного производства, мож­но выделить следующие основные факторы, определяющие уровень технологичности аппаратуры: унификация схемотехнических и кон- структорско-технологических решений, обеспечивающих автомати­зацию проектирования, изготовления и контроля узлов и блоков аппаратуры; унификация и стандартизация коммутационных и ус­тановочных деталей, электрорадиоэлементов (ЭРЭ), ИС, МСБ, пе­чатных плат, узлов, блоков и шкафов; типизация технологических процессов изготовления и контроля деталей, ЭРЭ, МСБ, печатных плат, ячеек и блоков, обеспечивающая механизацию и автомати­зацию их производства; система взаимодействия разработчиков, изготовителей и технологических институтов на всех этапах созда­ния аппаратуры и оценки ее технологичности.

Разработка и внедрение унифицированных конструкций явля­ется одним из главных направлений повышения технологичности аппаратуры. Применение типовых конструкций существенно повы­шает технологичность и обеспечивает возможность использования типовых технологических процессов и высокопроизводительного оборудования для изготовления аппаратуры. Специфической осо­бенностью аппаратуры третьего и особенно четвертого поколения является взаимосвязь и взаимозависимость конструкций и техно­логии производства, возможность и необходимость создания типо­вых конструкторско-технологических решений.

Разработка типовых методов и унификация конструкторско-тех­нологических решений осуществляется по всем конструктивным уровням в области: микросборок; печатных плат; ячеек, блоков и БНК аппаратуры различного назначения.

Анализ современного состояния РЭА различного назначения, а также перспектив ее развития показывает, что с конструктивной точки зрения особенно важными являются следующие направле­ния: традиционное — конструирование и компоновка МЭА с ис­пользованием корпусированных ИС и МСБ на печатных платах; развивающееся — компоновка РЭА с использованием БИС и бес­корпусных МСБ; перспективное — конструирование МЭА с ис­пользованием БИС и СБИС, в том числе матричных, в кристалло- держателях или на лентах-носителях на крупноформатных под­ложках — основаниях.