CC BY
94
Электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя № <frC 77 - 30569. Госудд per венная регистрация №P4Zli000Z5.IS5H 1994-0408_
Технологии микроминиатюризации специальной радиоэлектронной аппаратуры на основе трехмерной компоновки
77-30569245994
# 11, ноябрь 2011
Усачев В. А., Голов Н. А., Кудрявцева Н. В., Сасов Ю. Д.
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.
Тирания межсоединений
(Планарная ограниченность)
Подзатворные И-к диэлектрики с большими значениями £
Замена алюминиевой металлизации на медную.
Внедрение ВУФ, ЭЛ и МЛ литографии
Поиск новых архитектурных решений
1. Замена алюминиевой металлизации на медную
2. Поиск защитных разделительных пленок
3. Внедрение технологий сквозного проектирования разводки на кристалле и на печатной плате
Исследования по созданию 3-х мерных ИС
Внедрение технологий МКМ и 3-х мерных гибридных сборок
Рисунок 1 - Направления субмикронного развития кремниевых технологий
Таблица 1 - Позиционирование задач и технологий ближайшего будущего
Задачи Технология
Формирование и поддержка функционально-полной номенклатуры твердотельной микроэлектронной ЭКБ Сертифицированные микроэлектронные технологии предельно длительного цикла
Обеспечение конкурентных преимуществ новой техники Заказные ИС, разработанные системщиками и изготавливаемые по закрытой топологии
Микроминиатюризация аппаратуры за границами предельной степени интеграции СБИС Технологии 3-х мерных гибридных функциональных модулей
Разработка микросхем и элементной базы за пределом мезоскопических микроэлектронных технологий Нанотехнологии
Ниже дан беглый обзор отечественного опыта реализации 3D-подхода.
Разработанный в МГТУ им Н.Э. Баумана комплекс 3Б 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 3Б 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 3Б 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 3Б 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 3Б технологий (см. рисунок 2).
При реализации метода 3Б 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.
electronic scientific and technical periodical
SCIENCE and EDUCATION
_EL № KS 77 - 3Ü56'». .V;II421100025, ISSN 1994-jMOg_
Technology miniaturisation for special electronics based on three-dimensional layout
77-30569245994 # 11, November 2011
Usachev V.A., Golov N.A., Kudryavceva N.V., Sasov Yu.D.
Bauman Moscow State Technical University
ni_go@mail.ru main@rl1-11.bmstu.ru
In this article the authors review physical limitations that determine the level of increasing the density of the layout of electronic equipment in the case of two-dimensional layout. There is a need for a new technology of assembling electronic equipment. The authors present a complex of 3D technologies for miniaturization of electronic devices which was developed in BMSTU and allows to reduce the weight and size parameters of the equipment and significantly improve its reliability a multiple number of times. The authors show the efficiency of creating equipment on a three-dimensional technology for a wide range of products of weapons and military equipment.
Publications with keywords: integrated circuits, microminiaturization, three-dimensional technology
Publications with words: integrated circuits, microminiaturization, three-dimensional technology
Reference
1. Usachev V.A., Vilenskii A.R., Golov N.A., Kudriavtseva N.V., in: Proceedings of the all-Russian scientific-technical conference "Problems of effectiveness and safety of functioning of complex technical and information systems", Vol. 4, 2011, pp. 75-79.
2. V.A. Usachev, N.A. Golov, N.V. Kudriavtseva, in: Proceedings of the all-Russian scientific-technical conference "Problems of effectiveness and safety
of functioning of complex technical and information systems", Vol. 4, 2011, pp. 80-84.
3. Iu.D. Sasov, Remont, vosstanovlenie i modernizatsiia 4 (2010) 49-51.
4. Iu.D. Sasov, Remont, vosstanovlenie i modernizatsiia 12 (2009) 2-8.
