Роль микроэлектроники и стандартизации

Дальнейшее резкое развитие принципа функционально-узлового конструирования произошло с появлением и развитием микроэлектроники. Применение интегральных схем (ИС) - РЭС третьего поколения, и больших ИС (БИС) - РЭС. четвертого поколения, позволило резко улучшить множество функциональных характеристик РЭС. В простейшем понимании микроминиатюризация представляет собой факт очередной смены элементной базы. Однако он повлек за собой и изменение конструктивных решений РЭС в целом, и изменение методов и средств конструирования.

Микроминиатюризация - способ уменьшения габаритов и массы РЭС, трудоемкости и материалоемкости, способ повышения качества К и сокращения сроков и затрат на разработку и производство Т_пр, другими словами - один из способов разрешения противоречий дальнейшего развития радиоаппаратостроения.

ПРИМЕР. В РЭС большой мощности, заменой только активной элементной базы нельзя резко уменьшить массу и габариты в целом.

Для того, чтобы извлечь полностью достоинства новой, более эффективной элементной базы, очень быстро обнаружили необходимость решения ряда сопутствующих задач, кроме простой замены активной элементной базы.

Так пришли к понятию комплексной миниатюризации. Условиями комплексной микроминиатюризации являются:

• проектирование схемы РЭС на принципах дискретной цифровой техники (вместо электромеханических узлов - электроника);
• схемы строить на ИС общего (широкого) и частного применения;
• решить проблему нормального теплового режима РЭС и электромагнитной совместимости;

использовать новые принципы формирования больших мощностей излучения;

• в области СВЧ использовать генераторы Гана, полосковые линии и т.д.;
• осуществлять миниатюризацию комплектующих конструктивных элементов (разъемы, кабели,...).

Важным следствием внедрения микроэлектроники было дальнейшее упрощение пространственной организации конструкций узлов, субблоков, блоков и более крупных единиц конструкций микроэлектронной аппаратуры.

Для эффективного использования преимуществ новой элементной базы происходила смена вариантов построения конструкции и, в первую очередь, пространственной подсистемы. Приведем несколько характерных для различных этапов развития микроэлектроники так называемых компоновочных (пространственных) структур.

Рис. 5.7. Линейная графическая модель РЭС.

1- кристалл ИС; 2- кристалл БИС; 3-корпус микросхемы; 4 - печатная плата; 5- несущая конструкция; 6 - корпус ycтpoйcтвa (бeз лeвoй:cтeнки); 7 -пoдлoжкa.

Общими чертами вариантов являются:

- наличие иерархической связи между модулями, т.е. некоторая совокупность модулей 1-го уровня, объединяясь, дает модуль 2-го уровни, те объединяясь, дают модуль 3-го уровня и т.д. - иерархичекий модульный принцип построения;

- плоскостной характер конструкций модулей нижних уровней - плоскостной принцип их объединения.

Анализ структур позволяет сделать вывод, что принципы построения пространственной структуры РЭС определились и мало изменились с развитием микроэлектроники, и, более того, множество вариантов структур ограничилось несколькими схемами.

Последнее позволяет сделать предположение о том, что и дальнейшее увеличение степени интеграции ИС существенно не изменит сформировавшиеся принципы и структуры.

Рассмотренный пример упрощения пространственной подсистемы S_пр касается только построения модулей нижних уровней (МЭУ и ячеек). Однако можно показать, что подобная картина наблюдается и для модулей более высоких уровней (блоков, шкафов). Следовательно, конструктору дается в руки на некоторые годы вперед важное априорное знание, позволяющее упростить задачу синтеза пространственной; структуры _пр конструкции РЭС, а значит и задачу проектирования конструкции в целом - знание принципов построения конструкции и некоторых пространственных (компоновочных) структур (схем).

Следует заметить, что сформировавшиеся принципы и схемы компоновки диктовались еще неосознанным желанием конструкторов уменьшить и упростить множество отношений R между элементами Г₁, Г₂,... Г_n пространственной системы S_пр. Действительно, плоскостной характер конструкций узлов субблоков практически исключил отношения типа "выше-ниже" между элементами этих конструкций; иерархия модулей исключила множество взаимоотношений между элементами, принадлежащим различным модулям, заменив их простыми отношениями между модулями и т.д.

Растущая степень интеграции открыла новые возможности применения нормализованных и унифицированных модулей различного уровня сложности. Наличие типовых электрических схем, выполняющих различные функциональные преобразования при одинаковом их конструктивном оформлении позволили создать аппаратуру из модулей единого конструктивного вида (единой серии). Последнее привело к уменьшению разнообразия, как вариантов, так и параметров Е пространственных структур конструкций. Так, наряду с определенностью принципов Ппр и пространственных структур (пр стала появляться определенность значений параметров элементов конструкций. Сейчас эти тенденции только усилились.

Последние годы развития микроэлектроники характеризуются не только "завоевыванием новых позиций", что выражается, в повышении степени интеграции элементной базы, применении новых материалов, поиске оригинальных конструктивных решений, но и закреплением уже завоеванных позиций - унификацией и стандартизацией как элементной базы, так конструкций. Различного рода "базовые", типовые конструкции узлов, субблоков, блоков находят вое более широкое применение как в масштабах некоторых предприятий, отдельных отраслей, так и государства в целом.

Примером стандартизации являются определенные типоразмеры разрешенных к применению печатных плат, подложек для ИС микросборок и, связанные с ними конструктивные варианты модулей 1-го и. 2-го уровней, а, в конечном итоге, и блоков (модулей 3-го уровня). Сюда же можно отнести попытки создания типовых вариантов топологии пассивных элементов для гибридных ИС (ГИС) и микросборок и регуляризацию расположения посадочных мест для навесных дискретных элементов на подложках ГИС и микросборок.

В конечном итоге указанные мероприятия приводят к дальнейшему уменьшению разнообразия пространственных подсистем S_пр конструкций РЭС, точнее, к уменьшению множества возможных значений конституант Е_пр отношений R_пр их пространственных подсистем за счет стандартизации элементов Г при известных принципах П_пр построения структур _пр.

Особенностью современного этапа комплексной микроминиатюризации является освоение новых возможностей при создании электронной аппаратуры 4-го и 5-го поколения, построенной на изделиях с высокой и все более возрастающей степенью интеграции компонентов. В полной мере это относится и к разработке аппаратуры с использованием микропроцессоров. Здесь уместно заметить, что рост степени интеграции на несколько порядков существенно не изменил пространственной структуры конструкций модулей 1-го, 2-го и 3-го уровней. По всей вероятности, при переходе на ИС еще более высокого уровня интеграции конструкция аппаратуры по-прежнему будет во многом однородна, т.е. будет характеризоваться наличием многоуровневой иерархической модульной пространственной структуры с типовым дискретным набором значений параметров модулей.

Важным выводом, следующим из факта упрощения пространственных структур конструкций РЭС, является возможность выделить и формализовать основные задачи конструкторского синтеза современных РЭС.

Итак, рассмотрение этапов развития РЭ позволяет сделать некоторые выводы:

1) По мере развития РЭ очень скоро разработчики пришли к пониманию важности учета взаимных связей между электрическими, тепловыми, механическими явлениями в РЭС, т.е. пришли к системному пониманию РЭС. (Однако без использования соответствующей терминологии). Главное следствие необходимости учета взаимодействий заключалось в существенном усложнении задачи конструирования по указанной причине.

2) Первоначальная сложность задачи конструирования РЭС (из-за разнообразия фopм и размеров элементов Г, отношений R, структур  и параметров Е конструкции) дополнилась сложностью учета явлений взаимодействия между подсистемами и различного рода ограничений в процессе проектирования.

Формализованные методы использовались мало, в основном, для анализа конструкций РЭС. Например, для расчетов тепловых режимов. Синтез же выполняется человеком. В целом процесс проектирования выполнялся методом "проб и ошибок"; интуиция, опыт, эвристика играли решающую роль.

Однако развивалась и другая тенденция - упрощение конструкции S за счет упрощения ее геометрической организации, т.е. за счет упрощения пространственной подсистемы Sпр. Для этого использовались следующие приемы:

- деление аппарата на части (модули);

- введение иерархии частей;

- плоскостная реализация модулей нижних уровней;

- стандартизация конструктивных (пространственных) решений модулей.

Существенное развитие указанные приемы получили в РЭС 3-го и 4-го поколений с развитием микроэлектроники.

В результате произошло значительное уменьшение разнообразия пространственных подсистем S_пр и в настоящее время существо задачи конструирования изменилось:

- вместо синтеза (генерации, изобретения) перечня (списка) элементов Г конструкции решается задача выбора из ряда заданных вариантов (например, выбор типа корпуса ГИС для защиты от влаги);

- вместо синтеза (изобретения) структуры _пр пространственных связей элементов Г конструкции S необходимо выбрать определенный вариант из некоторого заданного набора вариантов (например, разъемная или книжная конструкция блока);

- вместо синтеза значений параметров Е_пр отношений элементов Г в пространстве необходимо опять же выбрать определенное значение параметра из допустимого ограниченного ряда значений. (Например, выбрать разрешенные типоразмеры печатной платы).

Рис. 5.8. Упрощение пространственно подсистемы РЭС по мере развития РЭ.

Таким образом, согласно введенной классификации, задача проектирования конструкций РЭС часто представляет собой задачу 3б или четвертого типа сложности.

Упрощение задачи проектирования пространственной подсистемы S_пр привело к увеличению доли автоматизированных действий при конструировании за счет внедрения формализованных, а затем и автоматизированных методов синтеза (выбора) параметров Е_пр пространственных (или компоновочных) подсистем.

Специфической особенностью современного состояния РЭ является возможность в некоторых случаях решить задачу конструирования РЭС полностью формализованными приемами. Объясняется это тем, что часто в задаче проектирования конструкции не требуется отыскивать, синтезировать принципы, состав элементов и структуру (пр пространственной подсистемы S_пр, т.к. она бывает либо задана заранее, либо задача ее синтеза заменяется более простой задачей выбора определенной структуры из заданного множества вариантов. Например, задача проектирования печатных узлов является задачей синтеза пространственной системы с известным заранее набором вариантов структур. Расширение возможностей формализации конструирования и использование для целей проектирования средств ВТ позволило шире применять оптимальные методы конструирования РЭС. Современные автоматизированные процедуры конструирования РЭС являются сугубо оптимизирующими процедурами.

3) Эффективность жизни РЭ для РЭС остается неудовлетворительной. Причин этому много. По-прежнему невысока эффективность процесса проектирования Эпр. Последнее объясняется, в частности, недостаточным применением оптимальных автоматизированных методов проектирования РЭС с одной стороны, а также отсутствием некоторых профессиональных качеств у конструкторов РЭС и отсутствием необходимых средств проектирования с другой. И кроме того, не всегда и далеко не все задачи конструирования РЭС по сложности являются задачами уровней 3б и 4; хотя тенденция упрощения пространственной организации очевидна, также как очевидно и возрастание требований к конструкции РЭС в целом.