Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1984/D19841008Elc037.shtml

Производство интегральных схем на пороге комплексной автоматизации

УДК 621.3.049.77.002:658.012.011.56

Джерри Лаймен (Jerry Lyman)
Редакция ElectronicsWeek

Говард Бирман (Howard Blerman)
Редакция ElectronicsWeek

Jerry Lyman, Howard Blerman. Manufacturing heads toward full computer integration, No.25, pp.45—53.

Рассмотрены основные тенденции развития производства ИС в ближайшие годы. Указывается, что в производстве наблюдается тенденция к комплексной автоматизации объединяющей с помощью компьютеров все фазы разработки, производства и контроля качества изделий. Среди других тенденций отмечается возрастающая роль автоматизированной сборки на ленту-носитель, а также объединение систем автоматизированного проектирования и испытаний.

В бурных темпах развития технологии производства, характерных для 1980-х годов, пока что не проявляется никаких признаков спада. Новые СБИС, расширяющие возможности микрокомпьютеров, крупных вычислительных машин и локальных сетей, являются теми основными факторами, которые обусловливают возрастание эффективности и производительности труда.

Однако основным событием в 1984г. станет, по-видимому, рождение производства, охваченного комплексной автоматизацией (computer-integrated manufacturing). Путь здесь прокладывают такие гигантские фирмы, как IBM, Hewlett-Packard и Tektronix. Комплексная автоматизация производства (КАП) объединяет все фазы проектирования, производства и автоматизации, а также контроль качества, затрат и производственных запасов в единую распределенную сеть связи, управляемую компьютером.

Развитие технологии СБИС продолжает поддерживать в состоянии непрерывного изменения процессы сборки ИС и следующий уровень их объединения — печатные платы и гибридные подложки. Так, совершенствование автоматизированной сборки на ленту-носитель как одного из лучших методов сборки кристаллов с большим числом выводов в 1984г. началось с новой силой. Кроме того, изготовители корпусов для ИС активно ищут улучшенные по сравнению с подложками из окиси алюминия варианты керамики для корпусов более быстродействующих и мощных схем.

Тем временем начали появляться корпуса для ИС с гигагерцевыми тактовыми частотами. В области производства печатных плат лазерные системы экспонирования перестали быть чисто экспериментальными установками и используются как промышленное оборудование при изготовлении нового поколения плат с узкими металлизированными дорожками.

В сфере автоматизации измерений и испытаний выделяются два достижения. Одно из них — это появление двусторонних контактных устройств с подпружиненными игольчатыми штырьками, помогающих изготовителям решать трудную задачу проверки собранных методом монтажа на поверхность одно- и двусторонних печатных плат. В новых устройствах штырьки размещены в узлах сетки с шагом не 2,54, а 1,27 мм. Еще одно достижение, которое трудно переоценить, заключается в объединении систем автоматизированного проектирования (САПР) с системами автоматизированных испытаний (САИ). Интеграция систем этих двух типов, как ожидается, позволит существенно снизить стоимость производства.

Производство

Типичная сеть для комплексной автоматизации производства содержит такие хорошо известные компоненты, как САПР, производственные системы планирования и управления (ПСПУ), автоматизированные системы управления производством (АСУП)1{САМ —computer-aided manufacturing} и вычислительные средства, объединяющие все эти компоненты. Однако средства комплексной автоматизации производства включают также три новых элемента: групповую технологию, робототехнику и автоматизированные установки для погрузки-разгрузки материалов и заготовок.

Три верхних блока, показанные на рис.1 (САПР, групповая технология и ПСПУ), представляет собой в первую очередь программное обеспечение; три нижних блока — это главным образом станки или оборудование, управляемые по программам (САПР и АСУП — это только небольшая часть всей картины). Основа комплексной автоматизации производства — это программное обеспечение и линии связи, полностью объединяющие все элементы сети.

Компоненты комплексной автоматизации производства.
Рис.1. Компоненты комплексной автоматизации производства.

Многие факторы заставляют руководителей промышленных фирм оценивать или внедрять системы комплексной автоматизации производства. К таким факторам относятся:

— Международная конкуренция.

— Необходимость повышения производительности труда.

— Необходимость повышения качества приснижении затрат.

— Необходимость улучшения обслуживания заказчиков.

— Необходимость обеспечения большей гибкости производства.

— Снижение стоимости обработки и хранения данных.

— Внедрение концепции распределенной обработки.

— Появление методологии стратегического планирования.

Атрибуты и возможности САПР, АСУП и робототехники хорошо известны большинству инженеров, специализирующихся в области электротехники и электроники, но лишь немногие из этих специалистов по-настоящему понимают, что представляют собой групповая технология и производственные системы управления и какие преимущества могут дать эти системы производству.

Групповая технология, будучи связанной с программным обеспечением или оборудованием, не занимает значительного места на рынке средств комплексной автоматизации производства, но служит одним из основных инструментов снижения затрат благодаря внедрению КАП. Основные компоненты групповой технологии, позволяющие экономить средства — это производственные ячейки (комплекты станков или установок), а также процедуры систематизации и кодирования информации об изделиях и технологических процессах. На основе такой базы данных инженеры-производственники, работающие в той или иной фирме, могут рассортировывать то, что они уже разработали, с целью экономии времени в процессе проектирования.

Так, во многих новых разработках только 20% элементов являются по-настоящему новыми. В среднем 40% элементов созданы ранее, а 40% могут быть получены путем модификации уже существующих компонентов. Проблема заключается в том, что разработчик обычно не может найти как раз те 80% элементов, которые уже разработаны, и поэтому их приходится создавать вновь, что приводит к бесполезным затратам времени и средств. Программное же обеспечение групповой технологии позволяет производить отбор информации из базы данных и классификацию групповых элементов по семействам, обладающим сходными физическими характеристиками.

Групповая технология позволяет уменьшить число элементов в такой базе данных, затраты, связанные с введением новых компонентов, и суммарное время разработки новых изделий. Она дает возможность повысить загрузку производственных мощностей на 10—15% и, кроме того, уменьшить время освоения (setup time), число дефектных изделий и расходы на проектирование.

Один из основных блоков сети комплексной автоматизации производства — это производственная система планирования и управления. Такая система состоит из пяти компонентов: планирования производственных ресурсов (ППР); моделирования и оптимизации; систем сбора данных непосредственно в цехах; административных систем машинной графики и обеспечения принятия решений; планирования распределения ресурсов.

Планирование производственных ресурсов является ключевой составляющей этого блока. Одной из основ такого планирования служит система типа «точно вовремя» (JIT)1{Just-in-time}, первоначально разработанная в Японии. В настоящее время 11 отделений фирмы HP, завод по производству машины Macintosh фирмы Apple Computer во Фремонте (шт.Калифорния) и многие другие американские предприятия, занимающиеся выпуском электронных компонентов и оборудования, используют указанную систему и пожинают плоды такой политики: повышение качества, уменьшение производственных запасов и трудозатрат, улучшение использования производственных площадей и качества продукции, получаемой от поставщиков комплектующих изделий.

Запасы — это зло

В своей простейшей форме система JIT исходит из того, что производственные запасы — это зло. Японцы полагают, что наличие производственных запасов затрудняет вскрытие проблем, связанных с повышением эффективности производства и качества продукции. По их мнению, запасы подобны воде, текущей в речном ложе. Чем ниже уровень воды (чем меньше запасы), тем больше камней (трудностей, связанных с производительностью труда и качеством) обнажается и может быть обойдено.

Система JIT базируется на многих факторах. Один из них заключается в поступлении в производство исходных материалов «точно вовремя», что означает ежедневную поставку комплектующих изделий. Второй состоит в поочередном изготовлении изделий друг за другом (т.е. не партиями, а по одному). Прочие факторы — это упрощение электронных систем обработки данных и процессов передвижения материалов и заготовок, а также сборка по линейному графику, т.е. одно и то же количество изделий день за днем в течение определенного периода времени.

Последним элементом этой системы является создание системы 100%-ного контроля качества. Одним из путей достижения этого в системе JIT является радикальное сокращение количества поставщиков, обеспечивающих фирму компонентами и подсистемами. Избранные поставщики должны поставлять изделия, качество которых настолько высоко, что не требуется никакого входного контроля.

Отделение фирмы HP в Грили (шт.Колорадо), изготовляющее различные периферийные устройства и накопители на магнитных дисках, служит хорошим примером внедрения системы JIT. Оно приступило к этой экспериментальной программе в 1982г., а недавно стало предприятием, полностью перешедшим на систему JIT.

На рис.2 показан график наличия запасов полуфабрикатов по мере внедрения системы JIT. К маю 1984г. фактические запасы удалось уменьшить даже по сравнению с намеченной величиной. Помимо этого качество изделий на этом предприятии, работающем по системе JIT, улучшилось в 10 раз. Два года назад в Грили на площади 5000 м2 изготовлялось изделий на сумму 40 млн. долл. В настоящее время благодаря производственной стратегии фирмы HP удалось изготовить на площади 6225 м2 оборудования на сумму 120 млн. долл. И наконец, число поставщиков сократилось с 384 до 200.

«Точно вовремя». Отделение фирмы Hewlett-Packard в Грили приступило к выполнению программы «точно вовремя» (ЛТ) в ноябре 1982г. График показывает дост
Рис.2. «Точно вовремя». Отделение фирмы Hewlett-Packard в Грили приступило к выполнению программы «точно вовремя» (ЛТ) в ноябре 1982г. График показывает достигнутый этим отделением прогресс в деле уменьшения объема производственных запасов. К маю 1984г. намеченные цели по сокращению запасов были превзойдены.

Появление роботов

Робототехника — это уже сейчас важная деталь всей панорамы комплексной автоматизации производства, в особенности в японской экономике и мировой автомобильной промышленности. Но максимальный рост в этой области техники еще не наблюдается. В настоящее время по числу установленных роботов США сильно отстают от других регионов мира. Так, в Западной Европе установлено около 12 500 роботов, а в Японии их уже свыше 140 тыс. В то же время в США их имеется всего лишь около 8—9 тыс. Предсказывают, что к 2000г. в Японии будет 1 млн. роботов.

В настоящее время преимущества робототехники выявлены достаточно четко. Это — повышение качества, рост производительности труда, гибкость, высокая надежность и компактность. Однако перед робототехникой еще стоят большие задачи, особенно в части разработки и сопровождения программного обеспечения. Со временем роботы будут непосредственно объединяться в сети подобно тому, как это имеет место для станков с числовым программным управлением. Новые датчики, позволяющие обеспечивать «зрительную» и «осязательную» обратную связи, необходимы для того, чтобы можно было создать «истинных» роботов-сборщиков.

Сборка

Автоматизированная сборка на ленту-носитель начала использоваться в 1971г. Сущность этого метода заключается в групповом соединении расположенных на полупроводниковом кристалле специальных капелек припоя (называемых шариковыми выводами) с медными проводниками, расположенными на изолирующей пленке из кептона. Однако стоимость оснастки новых лент-носителей и необходимость в специальном сборочном оборудовании препятствовали широкому внедрению этой новой технологии.

В настоящее время появление СБИС и ССИС, очевидно, создало такие условия, в которых автоматизированная сборка на ленту-носитель (с характерными для нее групповым присоединением выводов, возможностью осуществления проверок и термоэлектротренировки непосредственно на кристаллах, а также высокой плотностью выводов) может стать основным методом сборки ИС (и манипулирования ими), имеющих свыше 100 входных/выходных контактов. В течение 1983г. многие американские фирмы продемонстрировали, что они могут выпускать ленты с большим числом балочных выводов для ИС с шириной линий межсоединений 50 мкм, расположенных с шагом 100 мкм. Это требование является решающим для сборки СБИС и ССИС.

Лента-носитель с матрицей выводов. Лента-носитель с матрицей из 160 контактов для автоматической сборки разработана фирмой Micro Bond. В центральной ч
Рис.3. Лента-носитель с матрицей выводов. Лента-носитель с матрицей из 160 контактов для автоматической сборки разработана фирмой Micro Bond. В центральной части ленты имеются контактные площадки, расположение которых соответствует расположению шариковых выводов на интегральной схеме. Контактные площадки соединяются внутри ленты с более толстыми выводами, предназначенными для внешних соединений.

Однако наиболее крупное событие в развитии технологии автоматизированной сборки на ленту-носитель — это разработка методов автоматизированной сборки на ленту-носитель с матрицами выводов. Речь идет о сочетании автоматизированной сборки на ленту-носитель кристаллов с шариковыми выводами, для которого характерно контактирование кристалла не только с периферийными участками ленты, но и с ее внутренними областями. Этот метод стал реальным способом сборки ИС, имеющей сетку входных/выходных контактов, расположенных по всей ее поверхности. Увеличение плотности межсоединений, быстродействия и возможностей тестирования может постепенно вытеснить входные/выходные схемы с периферии во внутренние области кристаллов. Эта концепция была впервые предложена фирмой 3M Co. в Сент-Поле (шт.Миннесота) в ходе выполнения программы ССИС1{Электроника, 1981, №26, с.33}.

В отличие от обычных лент-носителей с балочными выводами, имеющих только один проводящий слой, при автоматизированной сборке на ленту-носитель с матрицами выводов используются многослойные ленты1{Электроника, 1984, №19, «Методы, схемы, аппаратура»}. Обычно при таком методе сборки кристалл со структурой СБИС высокой плотности, имеющий сетку шариковых выводов, укрепляется обратной стороной (выводами вверх) на керамическом корпусе. Затем его шариковые выводы методом оплавления припоя соединяются с сеткой контактов, размещенных на ленте. Эта сетка контактов через внутренние слои ленты соединяется с наружными проводниками, которые привариваются к контактным площадкам корпуса.

В настоящее время фирмы 3M Co. и Micro Bond Technologies (Канога-Парк, шт.Калифорния) поставляют опытные образцы лент-носителей с матрицами выводов. Фирма 3M Co. разрабатывает ленту-носитель для сборки кристаллов с 250 входными/выходными соединениями, а фирма Micro Bond изготовила образцы подобных лент со 160 входными/выходными соединениями.

В будущем ленты-носители с балочными выводами появятся и в других модификациях. Например, фирма Micro Bond разрабатывает серию лент-носителей для высокочастотных приборов, основанную на использовании пластмасс с низкими диэлектрическими проницаемостями. В конструкции такой ленты будут использованы структуры с характеристиками микрополосковых или полосковых линий. Фирма Texas Instruments Inc. (Даллас) рассматривает возможность использования лент-носителей с балочными выводами для сборки управляющей электроники электролюминесцентных индикаторов в корпуса минимального объема.

Окись алюминия — это преобладающий материал для сборки ИС, гибридных схем и мощных полупроводниковых приборов. Однако под давлением необходимости улучшения отвода тепла, повышения эффективности изделий и еще большего приближения температурного коэффициента расширения материала подложки к аналогичному показателю монокристаллического кремния в качестве материала для оснований корпусов и подложек начинают использоваться другие материалы, такие, как карбид кремния и нитрид алюминия (см. табл.1).

Таблица 1. Сравнение керамических подложек

Характеристики материала

Hitaceram

Обычный карбид кремния

Нитрид алюминия

Окисно-берил-лиевая керамика

Алюмо-окисная керамика

Монокристаллический кремний

Объемная плотность, г/см2

3,2

3,1

3,2

2,9

3,8

Коэффициент температурного расширения при комнатной температуре, 400°С * 109 1/°С

3,7

4,2

4,5

8,0

7,0

3,5—4,0

Теплопроводность при комнатной температуре, Вт/см*°С

2,7

0,67

1,0

2,4

0,29

1,4

Удельное сопротивление при комнатной температуре, Ом*см

>1013

>1013

>1014

>1014

>1014

Диэлектрическая проницаемость, МГц

4,0

 

8,8

7

10

Диэлектрические потери, МГц

0,05

0,0005

0,0005

0,0002

Один из наиболее привлекательных материалов— это разработанная фирмой Hitachi Ltd.. керамика Hitaceram. Данный материал представляет собой модифицированный карбид кремния, имеющий низкую диэлектрическую проницаемость, равную 4 (по сравнению с 8 у окиси: алюминия). Температурные коэффициенты такой керамики и кремния почти равны, а теплопроводность практически в 10 раз выше, чем у окиси алюминия. Благодаря этому материал Hitaceram является идеальным для корпусов быстродействующих ИС, где решающую роль играют диэлектрическая проницаемость и характеристики теплоотвода.

Фирма Hitachi уже использует такой материал для изготовления корпуса со 108 выводами, в который собираются шесть кристаллов быстродействующих ЗУ, имеющих шариковые выводы и монтируемых на кремниевую подложку1{Электроника, 1984, №19, «Методы, схемы, аппаратура»}. Среди других рассматриваемых материалов следует упомянуть обычный карбид кремния, изучаемый в настоящее время фирмой Mitsubishi Electric Co. (Токио), и нитрид алюминия,., анализируемый с целью использования в корпусах мощных приборов фирмами General Electric Ceramics Co. (Чаттануга, шт.Теннеси) и W.C.Heraeus GmbH (Ханау, ФРГ).

Обе эти керамики имеют сравнительно низкие значения электрической проницаемости и коэффициента теплового расширения, почти совпадающие с соответствующими параметрами кремния. Нитрид алюминия также имеет высокую теплопроводность по сравнению с окисью алюминия. Все указанные типы керамики вместе с окисью бериллия должны найти в будущем более широкое применение в корпусах быстродействующих мощных СБИС и ССИС.

Тем временем начинают появляться первые ИС на основе арсенида галлия, а это, естественно, диктует необходимость разработки новых корпусов. На симпозиуме 1984г. по арсенид-галлиевым ИС, который пройдет 23—25 октября в Бостоне, планируется заслушать несколько докладов, посвященных положению дел в области сборки арсенид-галлиевых ИС. В одном из них Тушар Р. Гхивала из фирмы Gigabit Logic (Ньюбери-Парк, шт.Калифорния) опишет два 36-выводных корпуса площадью 1 см2 для ИС из арсенида галлия, характеризуемых временами нарастания и спада около 100 пс и тактовыми частотами до 4 ГГц.

Первый корпус имеет конструкцию, основанную на использовании обычной одновременно спекаемой многослойной керамики. Во втором используется новый кремниевый промежуточный носитель кристалла, на котором формируются копланарные линии передачи, проходные конденсаторы и входные/выходные резисторы. В этом корпусе кристалл арсенида галлия монтируется на кремниевую подложку, которая в свою очередь напаивается на керамический носитель кристаллов.

Керамический корпус имеет четыре слоя: первый, нижний слой содержит входные/выходные контактные площадки, второй служит для обеспечения заземления и связан с площадкой, предназначенной для монтажа кристалла. Третий слой содержит полосковые линии передачи сигналов, а четвертый представляет собой шину опорного напряжения. В нем также могут располагаться проходные конденсаторы. Типичная задержка при распространении входных/выходных сигналов в этом корпусе, по оценкам, не превосходит 50 пс, что позволяет передавать сигналы в частотном диапазоне 2—2,5 ГГц с временами нарастания и спада порядка 150 пс. В корпусе с кремниевым промежуточным носителем копланарные линии передачи сигналов наносят на высокоомную кремниевую подложку и отделяются от нее слоем двуокиси кремния. Проходные конденсаторы формируются на основе обратно смещенных рп-переходов. Благодаря более низкой диэлектрической проницаемости двуокиси кремния, нанесенной на промежуточный носитель из кремния, такой корпус в целом обеспечивает примерно на 25% более высокое быстродействие, чем керамический корпус.

Во втором докладе о сборке асенид-галлиевых ИС группа авторов из фирмы Magnavox Advanced Products and Systems Co. (Торранс, шт.Калифорния) описывает совершенно другой подход к той же проблеме. Инженеры фирмы Magnavox разработали безвыводной носитель кристаллов с 44 контактами и 12 портами, основанный на использовании аддитивного процесса создания многослойных медно-полиимид-ных структур, разработанного фирмой Augat Microtek (Ньюбери-Парк, шт.Калифорния). Корпуса изготовляются групповым методом: на одной технологической заготовке одновременно обрабатываются 356 будущих изделий, что позволяет изготовлять недорогие корпуса для высокочастотных приборов.

В этой конструкции три металлических слоя образуют 50-Ом полосковые линии передачи. Два дополнительных слоя металлизации формируют низкоомный уровень питающих напряжений, что дает возможность минимизировать напряжение помех, генерируемое при быстром переключении токов. Медные междуслойные соединения связывают друг с другом металлизированные слои и одновременно служат «столбиками», отводящими тепло от кристалла к объединительной плате. Подобный носитель обеспечивает работу на частотах до 5 ГГц при следующих параметрах: КСВН — 1,2:1; изоляция от порта к порту — лучше 40 дБ; максимальное отклонение импеданса сигнальных линий от 50 Ом — не более 4%.

Использование лазеров

Говоря о новых достижениях в области изготовления печатных плат, следует отметить, что в течение 1984г. появились сканирующие лазерные системы экспонирования барабанного типа, способные конкурировать с существующими плоскими лазерными системами. Кроме того, следует отметить разработку высокочувствительных резистов, предназначенных для той же цели. Лазерное экспонирование необходимо для создания шаблонов, которые будут использоваться при изготовлении грядущего поколения плат с узкими металлизированными дорожками. Использование лазерных систем позволяет уменьшить время генерирования рисунка шаблона с нескольких часов до минут.

В течение 1984г. фирмы Macdonald Dettwiler and Associates (Ричмонд, пров. Британская Колумбия, Канада) и Optronics International Inc. (Челмсфорд, шт.Массачусетс) выпустили в продажу сканирующие барабанные системы для лазерного генерирования оригиналов фотошаблонов. Система фирмы Macdonald Dettwiler позволяет создавать рисунок размером 610*915 мм с разрешающей способностью 25 мкм примерна за 2,5 мин, а установка фирмы Optronics наносит рисунок размером 457*560 мм с той же разрешающей способностью менее чем за 15 мин.

Более важное значение, чем разработка оборудования, имело сообщение фирмы E.I. Du Pont de Nemours and Co. о том, что ее отделение Riston Products (Уилмингтон, шт.Делавэр) создало два высокочувствительных сухих пленочных фоторезиста, предназначенных для непосредственного экспонирования лазером рисунка на поверхности печатных плат. Большинство сухих пленочных резистов для экспонирования ультрафиолетовым излучением с широким спектральным составом имеет чувствительность около 100 мДж/см2. Два новых экспериментальных резиста имеют чувствительность, равную 10 мДж/см2. Один из них реагирует на лазерное излучение в видимом, а не в ультрафиолетовом диапазоне, что позволяет более эффективно использовать выходной сигнал лазера. Благодаря использованию резиста, чувствительного к видимому свету, удается уменьшить время экспонирования лазером в 20 раз по сравнению с теми случаями, когда используются обычные резисты. Столь значительное сокращение времени экспонирования может сделать технологию непосредственного экспонирования резистов, нанесенных на поверхность печатных плат, более привлекательной для использования в промышленности.

Автоматизированные испытания

Монтаж компонентов на поверхность печатных плат уже в течение многих лет считается в Японии общепринятой технологией сборки бытовой аппаратуры. В США он быстро приобретает популярность в связи с тем, что изготовители электронной аппаратуры стремятся уменьшить габариты изделий и снизить производственные расходы. Монтаж на поверхность начинается с того, что на используемых для этого платах формируется ряд покрытых припоем контактных участков, соответствующих по площади контактам или выводам компонентов, монтируемых на такие платы. При этом возможны устранение сквозных отверстий, напайка компонентов на обе стороны печатной платы и уменьшение втрое размеров самой платы (так как у приборов, монтируемых на поверхность, не требуется сгибать выводы).

Уменьшение размеров печатных плат позволяет уменьшить расходы на материалы, а снижение их массы уменьшает затраты на сборку и отгрузку. Другие возможности сборок, полученных монтажом компонентов на поверхность печатных плат, пока еще изучаются. К этим преимуществам относятся меньшая восприимчивость к вибрациям и высокая надежность, что связано с уменьшением числа соединении и с отсутствием необходимости в сквозных отверстиях. Однако необходимость компромиссных решений, по всей видимости, задерживает ускоренное внедрение технологии монтажа компонентов на, поверхность печатных плат. Многие фирмы, имеющие оборудование для сборки печатных плат обычными методами, не очень хотят вкладывать средства в новое автоматизированное оборудование для монтажа на поверхность. Для манипулирования хрупкими крошечными компонентами, с которыми трудно обращаться промышленным рабочим и которые можно повредить чрезмерным надавливанием пинцетом, а также для установки таких компонентов необходимо автоматическое оборудование, например машины для установки компонентов.

Плотная упаковка. Печатные платы с компонентами, которые смонтированы на поверхность, подобные этому функциональному блоку для кассетных видеомагнитоф
Рис.4. Плотная упаковка. Печатные платы с компонентами, которые смонтированы на поверхность, подобные этому функциональному блоку для кассетных видеомагнитофонов фирмы Matsushita Electric Co., позволяют получать высокую плотность монтажа, но создают трудности при испытаниях и разработке контактных приспособлений.

Основное препятствие на пути внедрения технологии монтажа на поверхность плат — это испытания собранных плат. Многие из плат заполнены компонентами с обеих сторон или имеют на одной стороне компоненты, собранные на поверхность, а на другой — приборы, снабженные выводами. Кроме того, в случае использования этой технологии, для которой характерен шаг между узлами сетки, равный 1,27, а не 2,54 мм, требования к испытательным контактным приспособлениям и зондам резко возрастает.

Требования к испытаниям

В сборках, осуществленных путем монтажа на поверхность плат, усложняется доступ к узловым точкам схемы. Это происходит из-за того, что компоненты в подобных сборках независимо от того, имеют ли они короткие выводы или контактные площадки, прикрепляются к печатным платам припоем, нанесенным непосредственно на выводы или залуженные площадки, так что остается только небольшое контактное пространство вдоль краев ИС для подключения испытательных зондов. При проверке кристаллов, собранных в обычные корпуса с выводами, испытательные зонды могут контактировать с паяными соединениями на обратной, залуженной стороне печатной платы, а при тестировании ИС, смонтированных на поверхность плат, доступ для проверки должен быть обеспечен с той же стороны печатной платы, с которой располагается кристалл.

Многочисленные экспериментальные образцы плат с компонентами, смонтированными на поверхность, просто не поддавались адекватной проверке; необходимо было перестроить их таким образом, чтобы были добавлены специальные тестовые контактные площадки вдоль дорожек и чтобы обеспечивался доступ через сквозные отверстия к узлам с обеих сторон печатной платы. Так как технология монтажа на поверхность позволяет существенно уменьшить площадь плат, инженеры, занимающиеся испытаниями, утверждают, что какую-то часть этой сэкономленной площади можно использовать для размещения испытательных контактов.

Короткие замыкания в сборках, полученных монтажом на поверхность, — явление более частое, чем в платах, на которые собраны ИС с выводами, так как в приборах, смонтированных на поверхность плат, меньше расстояния между выводами, а на соответствующих платах меньше расстояния между контактными площадками и дорожками. При использовании пайки волной припоя могут происходить короткие замыкания из-за образования мостиков между близко расположенными металлизированными участками; шарики припоя — это одна из основных причин появления коротких замыканий при использовании процессов пайки оплавлением припоя.

Среди других проблем, усложняющих испытания сборок, изготовленных методом монтажа на поверхность, следует упомянуть возможность отсутствия некоторых компонентов на печатных платах, наличие немаркированных компонентов (при этом мини-резисторы и мини-конденсаторы выглядят одинаково), неправильную установку компонентов, требующих определенной ориентации, и повреждение ИС (так как конструкция ИС, предназначенных для монтажа на поверхность, сравнительно непрочна).

Поскольку монтируемые на поверхность плат компоненты располагаются на одной стороне с лужеными контактными площадками, простой процесс проверки плат с помощью зондов может привести к тому, что плохие платы пройдут эту проверку как годные, даже если в них имеются дефектные паяные соединения. В случае же обычных плат с компонентами, имеющими выводы, подобное явление встречается не часто. Давление, оказываемое щупом испытательного зонда на вывод или контакт прибора, монтируемого на поверхность, может привести к появлению контакта в дефектных паяных соединениях, в результате чего плата будет вести себя как годная. После того как зонд будет убран, некачественное паяное соединение возникает вновь, хотя плата успешно прошла проверку. Помимо этого давление зонда может повредить монтируемый на поверхность платы компонент или создать трещину в керамическом корпусе, установленном на плате. Такие проблемы заставляют осуществлять весьма тщательную внутрисхемную или функциональную проверку плат, собранных методом монтажа на поверхность.

Контактные приспособления и зонды

Обычные контактные приспособления с матрицей подпружиненных штырьков нелегко приспособить для испытаний плат, собранных монтажом на поверхность, где компоненты располагаются с обеих сторон платы, а узлы доступны только с одной ее стороны. Одна из альтернатив здесь заключается в использовании двух обычных контактных устройств, по одному с каждой стороны платы. При этом для передачи с одной стороны платы сигналов, необходимых для проверки другой ее стороны, могут применяться кабели и выводы с зажимами типа «крокодил». Такой подход, однако, вдвое уменьшает производительность, а время, необходимое для ручного присоединения и отсоединения кабелей и выводов, существенно удорожило бы испытания.

Другая альтернатива — это применение двустороннего (коробчатого) контактного приспособления, подобного выпущенному отделением Production Services (Конкорд, шт.Калифорния) фирмы Zehntel Inc. Это пневматическое контактное устройство позволяет осуществлять доступ к 1360 контрольным точкам, расположенным с шагом 1,27 мм. Такие нестандартные контактные устройства могут изготовляться, конечно, лишь по сравнительно дорогой цене.

Инженерам, занимающимся испытаниями и знакомым с методами проверки плат, у которых выводы компонентов торчат с ее обратной стороны, приходится решать новые задачи при работе со сборками, изготовленными методом монтажа на поверхность и не имеющими выводов, к которым можно подвести зонды. Эти платы содержат близко расположенные металлизированные дорожки и контакты, и зонды надо подводить к ним с обеих сторон. Среди решений таких проблем следует назвать введение контрольных контактных площадок на дорожках, отходящих от монтируемых на поверхность компонентов (их следует располагать с шагом 2,54 мм, чтобы можно было использовать существующее сравнительно недорогое оборудование для проверки несмонтированных плат). Одно решение заключается в том, что контакты в корпусах ИС с малым шагом выводов располагают змейкой так, чтобы получилось два ряда контактов с шагом, равным 2,54 мм в каждом ряду.

Хотя зонды с шагом 1,27 мм имеются в продаже, они представляют собой лишь уменьшенный вариант зондов с шагом 2,54 мм. По этой причине подобные зонды с шагом 1,27 мм сравнительно непрочны, обладают более высоким электрическим сопротивлением обычно имеют зону поджима, равную 2,54 мм, что ограничивает их использование только тщательно регулируемыми контактными приспособлениями.

Еще одна опасность при использовании зондов с шагом 1,27 мм заключается в том, что концентрирование усилия на паяном соединении или контакте может повредить это паяное соединение или привести к появлению трещины в компоненте, монтируемом на поверхность платы. Помимо этого слишком большое усилие, возникающее при надавливании на плату большим числом близко расположенных друг к другу зондов, может препятствовать использованию вакуумных контактных устройств из-за ограничений, связанных с величиной атмосферного давления и с необходимостью предохранить плату от изгиба. Эти ограничения заставляют переходить к механическим контактным устройствам.

Подобно тому как технологические процессы следует перестраивать для того, чтобы технология монтажа компонентов на поверхность печатных плат стала экономически выгодной, необходимо обновлять и методы испытаний, а также устройства, предназначенные для проверки готовых сборок. Для того чтобы проверка приборов, собранных на поверхность, стала экономичной, надо соответствующим образом менять конструкцию этих плат на ранних стадиях разработки.

Интеграция проектирования и испытаний

Изготовители электронной аппаратуры вкладывают также большие средства в системы автоматизированного проектирования и рабочие места проектировщиков, позволяющие снизить стоимость работ, осуществляемых группами разработчиков изделий. Однако получаемая при этом выгода быстро теряется по мере затраты дополнительных средств на закупку устройств и разработку программного обеспечения для подразделений, занимающихся испытаниями. Не существует никакой связи (или она весьма незначительна) между подготовкой описаний функциональных схем, созданием рисунка печатных плат и информацией, получаемой в процессе подачи испытательных сигналов и анализа реакции на них собранных плат. В результате происходят чрезмерные избыточные усилия и затраты из-за отсутствия связи САПР с САИ. Системы автоматизированного проектирования независимо от того, идет ли речь о сложных и дорогих устройствах, выпускаемых такими фирмами, как Calma, Applicon и Computervision, или о более дешевых АРМ компаний Personal CAD, Daisy Systems, Mentor Graphics и Valid Logic, обеспечивают заказчиков библиотекой типов приборов, возможностями соединения друг с другом базовых «строительных» блоков, а также проверки принципиальных и логических схем и временных диаграмм. Формирование стимулирующих и ответных векторов также является функцией, присущей системам автоматизированного проектирования.

Пропуск дефектов. Давление зонда на вывод прибора, смонтированного на поверхность печатной платы и плохо припаянного к ней, может привести к тому, что
Рис.5. Пропуск дефектов. Давление зонда на вывод прибора, смонтированного на поверхность печатной платы и плохо припаянного к ней, может привести к тому, что дефектный контакт будет вести себя как качественный и плата пройдет контроль.

Системы автоматизированных испытаний осуществляют весьма сходные функции. Для входного контроля (ИС и дискретных полупроводниковых приборов), а также для проверки собранных печатных плат они тоже должны хранить библиотеку типов приборов, «уметь обращаться» со схемами межсоединений, генерировать тестовые векторы и проверять синхросигналы.

В процессе проектирования инженер-разработчик, использующий САПР, выбирает ИС, которые ему предстоит использовать, соединяет их друг с другом для того, чтобы создать необходимую ему схему, проверяет характеристики схем с помощью векторов, генерируемых системой автоматизированного проектирования, и затем, если он удовлетворен полученными результатами, дает системе команду передать принципиальную схему, диаграмму межсоединений и список комплектующих изделий в группу, занимающуюся испытаниями. Вслед за этим инженер-испытатель повторяет многое из того, что уже сделал разработчик, и генерирует более сложное множество тестовых векторов для того, чтобы полнее проверить готовую разработку.

На такой довольно поздней стадии возможна вскрытие довольно серьезных дефектов разработки. В число этих дефектов может входить многое, начиная от трудностей при испытаниях и кончая проблемами, связанными с цепями обратной связи и неоптимальностью электрических схем. Очевидное, но дорогое решение состоит в отправке разработанной конструкции обратно в группу САПР на переделку, изменении некоторых исходных проектных решений и направлении переделанной схемы в группу испытаний для повторной проверки. Распространенным вариантом подобного решения является простое уменьшение числа тестовых векторов и проверочных узлов, а также (при проведении окончательного анализа) уменьшение сложности проверки по сравнению с той, которая оптимальна для обеспечения высокого качества готовой продукции.

На две стороны. Обе стороны печатной платы могут проверяться одновременно с помощью защелкивающегося тестера для внутрисхемной проверки собранных плат
Рис.6. На две стороны. Обе стороны печатной платы могут проверяться одновременно с помощью защелкивающегося тестера для внутрисхемной проверки собранных плат, разработанного фирмой Zehntel Inc. Тестер способен проверять платы с шагом между контактами, равным 1,27 или 2,54 мм.

Зачем же тогда создаются отдельные системы для проектирования и испытаний? В основном это вызвано тем, что оборудование и программные средства разработчика отличаются от гех, которые необходимы для групп, занимающихся испытаниями, а поставщики, слишком занятые удовлетворением потребностей и тех и других, не создают инструментов, которыми могли бы пользоваться и разработчики и специалисты по испытаниям. Тем временем до принятия стандартов на языки программирования, форматы данных и интерфейсы еще далеко.

Нужды сетей

Одна из наиболее серьезных проблем, тормозящих интеграцию САПР и САИ, связана с отсутствием стандартизации у поставщиков аппаратных средств и программного обеспечения для вычислительных сетей.

Среди интерфейсов, используемых для сопряжения САПР и САИ, следует упомянуть интерфейс RS-232-C, шину сети Ethernet и шину GPIB; каждый из таких интерфейсов используется тогда, когда нужны преимущества, связанные с его конкретными характеристиками. В случае малых скоростей передачи и небольших расстояний (порядка 15 м и менее) можно использовать интерфейс RS-232-C; шину GPIB предпочтительно применять для высокоскоростных соединений с большим числом отводов (до 15 приборов) на небольшом расстоянии (менее 30 м). Основная масса данных, получаемых с помощью быстродействующего и содержащего большое число узлов автоматического испытательного оборудования, передается по сетям Ethernet, GRNET (фирмы GenRad), Teranet (фирмы Teradyne), а также с помощью других фирменных интерфейсов.

Однако единая стандартная сеть пока не создана. Потребители имеют разные точки зрения на технические условия передачи и манипулирования форматами данных, а поставщики, которые глубоко увязли в своих фирменных сетях, считают слишком трудным и дорогостоящим делом ориентироваться на все возрастающее число различных интерфейсов и протоколов, создаваемых разработчиками автоматического испытательного оборудования. Одно из решений может заключаться в создании серии межсетевых интерфейсов, соединяющих одну стандартную сеть с различными существующими вычислительными системами и пакетами программ.

Становится очевидным, что интеграция с целью пользования общей базой данных способна не только снизить производственные затраты и улучшить качество изделий, но и создает преимущества, позволяющие улучшить сам производственный процесс. В настоящее время при автоматических испытаниях годные изделия отсортировываются от бракованных; на автоматизированном предприятии, где осуществлена интеграция САПР и САИ, можно будет обнаруживать любые изменения характеристик изделий и направлять эти данные обратно с целью коррекции на ранних стадиях производства с тем, чтобы в реальном времени совершенствовать технологические процессы и повышать выход годных.

Снижение затрат

Экономия, которая становится возможной благодаря адекватной интеграции САПР и САИ, иллюстрируется результатами анализа, который провел Джон Турин, президент фирмы Logical Solutions Inc. (Кемпбелл, шт.Калифорния). Эти результаты приведены в докладе об оборудовании для испытаний БИС и СБИС. Предполагаемая стоимость печатной платы, содержащей 150 полупроводниковых приборов, в том числе 15 БИС и СБИС, из которых пять являются новыми (при расходах на автоматизированные проектирование и испытания, равных 50 долл./ч), составляет 66 000 долл. (табл.2). Придерживаясь практики большинства предприятий, имеющих две отдельные группы инженеров, одна из которых занимается проектированием, а другая — испытаниями, по меньшей мере 10 тыс. долл. из этой суммы будут тратиться на дублирование одних и тех же работ.

Таблица 2. Расходы на автоматизированное проектирование, долл.

Операция

Проектирование

Испытания

Создание модели

10 000

10 000

Проектирование

16 000

0

Проверка выполняемых функций и внесение изменений

8 000

0

Ввод описания топологии

0

2 000

Генерирование тестов

0

20 000

Итого:

34 000

32 000

После интеграции САПР и САИ при создании новых типов схем эти 10 тыс. долл. будут автоматически экономиться. Так как топология схемы уже заложена в САПР, еще 2000 долл. будут сэкономлены благодаря избавлению от необходимости снова генерировать топологию в САИ. Половина из 8000 долл., предназначенных для проверки схем и внесения изменений в процесс автоматизированного проектирования, расходуется на выработку тестовых векторов; эта работа может быть заложена в процесс генерирования схемных тестов при автоматизированных испытаниях. Таким образом, как видно из доклада Турино, затраты могут быть снижены на 24% (на 16 тыс. из 66 тыс. долл.).

Делая еще один шаг в ходе этого анализа, а именно переходя к реальной ситуации, фирма, разрабатывающая в год 25 новых печатных плат (которые в определенной мере сходны по сложности с рассмотренными выше), сэкономила бы благодаря интеграции САПР и САИ 400 тыс. долл. в год из суммы неповторяющихся затрат на инженерный труд. Что касается расходов на производство, то, согласно данным Турино, на уровне печатных плат можно сэкономить в среднем по 3 долл. на каждую сборку благодаря сокращению числа повторяющихся тестов и диагностических операций, если принять правильную программу разработки, позволяющую учесть потребности тестирования.

Таким образом, если рассматриваемая в настоящем примере фирма выпускала бы в год 10 тыс. изделий, каждое из которых содержит по одной из плат 25 разрабатываемых типов, та экономия за счет исключения дублирования составила бы еще 750 тыс. долл. в год. Затратив на эффективную интеграцию САПР и САИ 50— 100 тыс. долл., можно сэкономить свыше 1 млн.. долл. Среди дополнительных преимуществ можно упомянуть более быстрый выход на рынок,, уменьшение числа производственных проблем связанных с развертыванием выпуска новых изделий, повышение качества продукции и, конечно, рост доходности производства.

Дочерние статьи:

Новый подход к использованию пластмасс при сборке

Пропагандист технологии монтажа на поверхность плат

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.20 (701), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.45

ElectronicsWeek Vol.57 No.25 October 01, 1984 A McGraw-Hill Publication

ElectronicsWeek Vol.57 No.26 October 08, 1984 A McGraw-Hill Publication

Jerry Lyman, Howard Blerman. Manufacturing heads toward full computer integration, No.25, pp.45—53.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Конструирование





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:55 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1984/D19841008Elc037.shtml