НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.37/.39

МГТУ им. Н.Э. Баумана

ni_go@mail.ru

main@rl1-11.bmstu.ru

Введение.

В [1] - [2] рассмотрены тенденции развития высокоточного оружия (ВТО) и связанные с этим проблемы поиска перспективных технологических решений при создании аппаратной базы ВТО. Ниже даны оценка перспектив развития и применения ключевых электронных технологий для микроминиатюризации электронной аппаратуры ВТО.

В результате прогресса микроэлектронных технологий в течение второй половины 20-го века были созданы несколько поколений электронной аппаратуры для боевой техники, с поистине выдающимися характеристиками, однако начало 21 века демонстрирует процесс явного насыщения возможностей дальнейшего роста этих достижений.

Стало очевидным, что достигнуты реальные физические пределы параметров целого ряда микроэлектронных технологий:

- практически исчерпаны частотно–мощностные возможности традиционных полупроводниковых материалов – кремния и арсенида галлия;

- достигнуты предельные минимальные топологические размеры базовых кристаллов во всём диапазоне изделий – от элементарного транзистора до «системы на кристалле»;

- достигнуты предельные плотности двумерного монтажа с точки зрения возможностей соединений, как внутрикристальных, так и межуровневых и внутрисистемных (так называемая «тирания соединений»);

- полностью исчерпаны возможности старых материалов монтажных подложек;

- обозначены пределы по размерам корпусов и количеству выводных контактов интегральных микросхем высокой степени интеграции;

- наконец, интегрально, достигнуты предельные значения плотности компоновки на всех уровнях интеграции электронной аппаратуры, характеризуемые коэффициентом использования объёма изделия:

·    для интегральной схемы (ИС) – 1 – 5 %;

·    для узла, ячейки – 0,5 %;

·    для блока – 0,1 %;

·    для устройства в целом – 0,03 %.

Таким образом, «первичные» потери полезного объёма на уровне ИС приводят в итоге к предельно неэффективному его использованию в конечных устройствах, более чем на 90 % состоящих из «воздуха».

В целом пути решения указанных проблем представлены на рисунке 1 и в таблице 1. Первые два подхода составляют основу традиционного производства военной электроники, нанотехнология – это скорее «знаковое» направление без скорого видимого результата, а направление 3D микроминиатюризации является ключевым и не слишком афишируемым практически у всех мировых лидеров производства специальной электронной аппаратуры.

Рисунок 1 – Направления субмикронного развития кремниевых технологий

Таблица 1 – Позиционирование задач и технологий ближайшего будущего

Ниже дан беглый обзор отечественного опыта реализации 3D-подхода.

Разработанный в МГТУ им Н.Э. Баумана комплекс 3D технологий микроминиатюризации электронной аппаратуры базируется на активно развивавшемся в Минэлектропроме СССР направлении объемного монтажа кристаллов с использованием оборудования микроэлектронного цикла позволяет:

-   уменьшить физический объем и массу наземной аппаратуры в 30… 100 раз и бортовой - в 10... 30 раз;

^{-      увеличить расчетную наработку на отказ в 10... 50 раз;}

-   значительно улучшить частотные характеристики аппаратуры за счет уменьшения длин межсоединений в 20 раз;

-   создать специальную электронную аппаратуру, работающую в крайне жестких климатических, механических и радиа­ционных условиях;

-   исключить применение драгоценных, дефицитных и токсичных материалов;

-   обеспечить экологически чистое производство;

-   значительно снизить трудоемкость изготовления наземной и многократно - бортовой аппаратуры по сравнению с традиционными методами производства;

-   исключить применение многослойных печатных плат;

-   использовать высококвалифицированные кадры и стандартное технологическое оборудование, имеющееся на любом предприятии радиоэлектронного профиля.

Метод основан на расположении любых активных и пассивных компонентов в теле микроплат, которые впоследствии собираются в пакет, образуя модуль, и электрически соединяются между собой по внешним граням модуля. При этом одновременно формируются внешние выводы модуля.

В традиционной электронной аппаратуре ее надежность определяется в основном не количеством и качеством компонентов, а количеством и характером межсоединений. В методе 3D технологий  более 90% всех межсоединений выполнено вакуумным напылением и поэтому показатели надежности межсоединений стали соизмеримыми с показателями электронных компонентов.

Расчеты показывают, что в случае построения аппаратуры по 3D технологий  перепад температур от нагревающегося компонента до внешнего теплорастекателя составит всего 5,4 °С. Кроме того, ввиду определенной скважности работы аппаратуры (не все компоненты работают и нагреваются одновременно) и благодаря высокой теплопроводности подложек компонентов и элементов конструкции, происходит растекание тепла вдоль пакета микроплат с компонентами. Все это выравнивает температуру внутри аппаратуры и предотвращает появление "горячих точек", а также обеспечивает щадящий температурный режим работы аппаратуры в целом.

Методы 3D технологий  практически исключает применение многослойных коммута­ционных плат, а площадь обычных (двусторонних) плат сокращается в 50 раз. Это объясняется тем, что более 90 % всех соединений компонентов находятся внутри модуля. Каждую микроплату можно расценивать, как двустороннюю печатную плату, выполненную методом вакуумного напыления. Тогда собранные в модуль (пакет) микроплаты имитируют много­слойную плату с количеством слоев, равному удвоенному количеству микроплат. При этом еще в каждом слое размещены электронные компоненты. Сокращением площади коммутационных плат и объясняется сокращение объема аппаратуры, изготовленной методом 3D технологий (см. рисунок 2).

При реализации метода 3D технологий  удалось на единой технологической ли­нии изготавливать коммутационные платы методом вакуумного напыления проводников. Проводники напылялись через "свободные" маски, изготовленные по командам САПР лазерной обработкой. При этом были получены медные проводники с подслоем молибдена на полимерной и керамической (алюмонитридной) подложке. Минимальная ширина проводника – 20 мкм, шаг расположения – 50 мкм, что практически невыполнимо для традици­онных технологий.

а)

б)

Рисунок 2 - Размеры межсоединений: традиционный монтаж (а) и 3D монтаж (б)

Развитие 3D технологий микроминиатюризации – реальный путь создания новых поколений аппаратуры головок самонаведения для ВТО.

Литература

1. Усачев В.А., Виленский А.Р.,  Голов Н.А., Кудрявцева Н.В. «Перспективные антенные системы для радиолокационных головок самонаведения миллиметрового диапазона » (статья в данном сборнике) // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем» 2011г. Сборник №4 2011г. с. 75-79

2. В.А. Усачев, Н.А. Голов, Н.В. Кудрявцева. «Тенденции развития высокоточного оружия класса «воздух-поверхность» // Труды Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем» 2011г. Сборник №4 2011г. с. 80-84

3. Ю.Д. Сасов. «Модернизация военной и космической техники». // Ремонт, восстановление и модернизация. – М.: Издательство «Наука и технология» – 2010. - №4. – с. 49-51.

4. Ю.Д. Сасов. «Применение трехмерных интегральных модулей вместо повышения степени интеграции». // Ремонт, восстановление и модернизация. – М.: Издательство «Наука и технология» – 2009. - №12. – с. 2-8.