eng
Выпуск #3/2019
П. Верник
Путь к сокращению сроков разработки и запуска в производство передовой ЭКБ: СвК на основе LTCC
Путь к сокращению сроков разработки и запуска в производство передовой ЭКБ: СвК на основе LTCC
Просмотры: 1821
Предлагается концепция процесса разработки, производства и применения ЭКБ, основанная на модульном принципе проектирования изделий с использованием систем в корпусе на базе технологии низкотемпературной совместно обжигаемой керамики. Обосновывается выбор конструкторских и технологических решений для данной концепции, направленный на кардинальное сокращение сроков от утверждения технического задания до запуска в серийное производство новых изделий ЭКБ.
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.184.3.170.173
DOI: 10.22184/1992-4178.2019.184.3.170.173
Теги: 3d-packaging design modularity electronic components ltcc microelectronic modules микроэлектронные модули модульный принцип проектирования низкотемпературная совместно обжигаемая керамика трехмерная компоновка электронная компонентная база
В современных условиях создание электронных и радиоэлектронных средств внутри страны является важнейшим условием обеспечения государственного суверенитета, экономической и общественной безопасности, недопущения уязвимости критических информационных инфраструктур цифровой экономики. В целях обеспечения разработки и производства современной, конкурентоспособной аппаратуры для различных областей применения, включая гражданский сектор, необходимо создание значительного количества новых типов ЭКБ, соответствующих или опережающих мировой уровень в отношении функциональности и характеристик, востребованных на соответствующих рынках.[1]
В настоящее время типичный срок выполнения работ по запуску в производство нового типономинала составляет от 24 до 36 месяцев. Учитывая постоянный рост требований к ЭКБ и конечным изделиям и общемировую тенденцию к ускорению постановки на производство электронных компонентов, целесообразным представляется сокращение срока от утверждения технического задания до запуска в серийное производство образцов ЭКБ до 6–12, а в перспективе – до 3–5 месяцев.
Для достижения этой цели необходимо формирование новой концепции процесса разработки, производства и применения ЭКБ, которая позволит минимизировать сроки выполнения наиболее времязатратных этапов создания нового продукта и по возможности обеспечить высокую степень распараллеливания работ.
МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП РАЗРАБОТКИ
В мире уже долгое время существует тенденция к расширению применения модульного подхода при построении различных систем. Определение и следование стандартам сопряжения различных модулей – как физического, так и информационного – позволяют максимально использовать существующие решения при повышении характеристик или расширении функционала изделия, заменяя в нем или добавляя лишь те модули, которые определяют улучшаемые параметры.
Одним из наиболее ярких примеров эффективности модульного принципа являются широко распространенные IBM-совместимые персональные компьютеры, в которых многие доработки могут выполняться самими пользователями с минимальной необходимой подготовкой путем замены или добавления таких модулей, как видео-, звуковые, сетевые карты, модули памяти и т. п.
В приложении к ЭКБ это нашло отражение, в частности, в современных методах создания систем на кристалле (СнК). В таких проектах широко применяются IP-блоки, выполняющие определенные функции и разрабатываемые, как правило, специализирующимися на таких решениях компаниями. В проекте СнК процессорные ядра, память, внешние интерфейсы, различные контроллеры могут представлять собой покупные IP-блоки, что дает возможность разработчику сконцентрироваться на архитектуре системы и ее физическом воплощении, не затрачивая время и ресурсы на реализацию типовых функций. Многие IP-блоки поставляются их разработчиками на физическом уровне с привязкой к конкретному технологическому процессу, что еще более облегчает процесс разработки системы.
Использование IP-блоков кардинально упрощает создание новых версий СнК. Например, при необходимости замены внешнего интерфейса на более новую версию требуется заменить только соответствующий IP-блок без переработки остальной архитектуры.
Этот подход также открывает возможности для параллельного развития технологий. В то время как разработчиками СнК создаются, отлаживаются и запускаются в производство системы на определенных процессорных ядрах и с определенными внешними интерфейсами, разработчики IP-блоков уже ведут разработку следующих их поколений, которые будут подготовлены к использованию в новых версиях СнК к тому моменту, когда они будут востребованы.
ВЫБОР БАЗОВОГО ПОДХОДА
Для реализации модульного принципа разработки отечественной ЭКБ необходимо выбрать базовый подход. При этом нужно учитывать, что наиболее динамично развивающимися и критичными с точки зрения импортозамещения и дальнейшего развития типами ЭКБ являются полупроводниковые изделия и электронные модули, в том числе цифровой и СВЧ-электроники.
Приведенный выше пример разработки СнК находит широкое применение в данных областях, в том числе и в нашей стране. В России существует ряд дизайн-центров, выполняющих разработку СнК на передовых технологических нормах и с архитектурами, соответствующими мировому уровню. Однако этот подход в текущей ситуации обладает рядом недостатков, среди которых:
• длительный процесс проектирования и верификации проектов;
• большие затраты времени и средств при внесении изменений в проект по результатам испытаний опытных образцов;
• высокая стоимость производства малых партий изделий;
• широкое применение IP-блоков от зарубежных поставщиков;
• изготовление кристаллов с малыми проектными нормами на зарубежных фабриках до введения в эксплуатацию и отработки соответствующих технологий на российских предприятиях, что приводит к зависимости от иностранных фабрик и, следовательно, ставит под угрозу безопасность и надежность поставок.
Бульшая часть ЭКБ, востребованной отечественной промышленностью на данный момент и в обозримой перспективе, характеризуется низкими объемами с точки зрения кристального производства и широкой номенклатурой, что является труднопреодолимым препятствием для обеспечения конкурентоспособности в сравнении с продукцией крупных зарубежных производителей как в отношении скорости развития, так и в ценовом аспекте. В то же время такая ЭКБ в своем большинстве не требует применения передовых проектных норм, преимущественно востребованных в массовых потребительских изделиях, таких как мобильные телефоны.
В связи с этим представляется целесообразным в качестве базового подхода рассмотреть системы в корпусе (СвК), в которых модульность обеспечивается на уровне отдельных кристаллов, а не части кристалла, что позволяет унифицировать изделия кристального производства, тем самым сократив их номенклатуру и повысив применяемость каждой позиции, а следовательно и объемы партий.
Далее, при применении систем в корпусе обеспечивается модульность и на следующем уровне конструктивной декомпозиции. При возможности трехмерной компоновки СвК добавление в нее новых кристаллов и других компонентов для расширения функциональности может происходить без изменения посадочного места. Таким образом, замена такого компонента на его новую версию может выполняться без изменения конструкции печатной платы.
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ
СИСТЕМ В КОРПУСЕ
При выборе конструктивного исполнения СвК необходимо учитывать требования высокой функциональности и снижения массогабаритных характеристик современных и перспективных образцов ЭКБ, что наряду с упомянутым выше обеспечением модульности на уровне печатного узла диктует применение трехмерных структур электронных модулей.
В сравнении с другими типами используемых в настоящее время конструкций СвК, такими как модули на кристаллах, на печатных платах, толстопленочные ГИС, существенными преимуществами обладает применение в качестве подложки модуля низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC). Эти преимущества включают следующее:
• возможность интеграции в одном модуле устройств различного функционального назначения, таких как приемопередатчики беспроводных протоколов, аналоговые схемы и схемы преобразования, средства обработки данных, схемы обеспечения электропитания и др.;
• высокая плотность компоновки, в том числе за счет применения трехмерных многослойных керамических подложек и размещения пассивных компонентов внутри подложки, позволяет значительно уменьшить габариты изделий и длину электрических связей, в особенности в сравнении с модулями на печатных платах;
• высокая надежность за счет монолитности подложек с проводящими и диэлектрическими зонами, а также возможности выполнения соединений с кристаллами и компонентами по различным технологиям, включая приклейку, пайку и проволочную разварку;
• прогнозируемое и управляемое распределение тепловых полей в объеме;
• рабочие частоты до 100–120 ГГц;
• рабочие температуры от –60 до 350 °C;
• низкая температура обжига керамики позволяет применять проводники с малым удельным сопротивлением, такие как золото и серебро, вместо молибдена и вольфрама, используемых в технологии высокотемпературной керамики (HTCC);
• высокая степень автоматизации, компактность и экологическая чистота производства многослойных керамических модулей, отсутствие «мокрых» химических процессов.
Исходя из указанных преимуществ перспективным представляется применение в качестве конструктивного исполнения высокофункциональных 3D-модулей с малыми массогабаритными характеристиками трехмерных микросборок на основе LTCC-структур.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Производство кристаллов для применения в 3D-LTCC СвК, обеспечивающих функциональность для большого количества текущих задач импортозамещения и создания востребованной отечественной ЭКБ, сопоставимую с IP-блоками в СнК, может быть организовано на технологических процессах с проектными нормами, существующими на российских фабриках. В перспективе, с вводом в строй новых фабрик с меньшими проектными нормами их возможности будут востребованы для дальнейшего улучшения характеристик, функциональности, миниатюризации и расширения сферы применения систем в корпусе.
Для реализации техпроцесса изготовления 3D-LTCC СвК Научно-производственным центром «СпецЭлектронСистемы» (НПЦ СЭС) была создана производственная площадка в Технополисе «Москва». Данное производство обеспечивает полный цикл разработки и изготовления трехмерных многослойных керамических модулей на основе технологии LTCC, включая сборку и герметизацию изделий. Производственная структура и наличие спектра базовых технологий обеспечивают возможность одновременного выполнения как работ по созданию новых продуктов, включая изготовление экспериментальных, пилотных образцов, так и серийного производства разработанных изделий.
Следует отметить, что применение унифицированных кристаллов и отработанных типовых техпроцессов LTCC с соответствующим комплексом производственного контроля качества и подтвержденной повторяемостью позволяет существенно сократить временные затраты, связанные с постановкой на производство и испытаниями новых изделий.
ЭКОСИСТЕМА
Процесс разработки, производства и применения ЭКБ, основанной на технологии 3D-LTCC, предполагает формирование экосистемы, охватывающей всю цепочку, включая разработку и производство кристаллов и дискретных компонентов для применения в системах в корпусе. Для того чтобы в полной мере реализовать потенциал по сокращению сроков создания новых изделий ЭКБ, необходимо формирование библиотек стандартных компонентов и блоков, доступных для всех компаний, участвующих в разработке СвК, в том числе из числа субъектов малого и среднего бизнеса, привлечение которых к участию в данном процессе могло бы дать существенный эффект. Еще одним немаловажным компонентом экосистемы должны стать разработчики и поставщики САПР, при этом использование САПР должно стать унифицированным, а доступ к ним должен быть обеспечен в том числе посредством центров коллективного пользования.
Создание полноценной экосистемы обеспечит комфортные условия для интеграции в процесс разработчиков аппаратуры, которые за счет использования в своих разработках передовых отечественных СвК смогут достичь высоких, конкурентоспособных характеристик конечных изделий. ●
В настоящее время типичный срок выполнения работ по запуску в производство нового типономинала составляет от 24 до 36 месяцев. Учитывая постоянный рост требований к ЭКБ и конечным изделиям и общемировую тенденцию к ускорению постановки на производство электронных компонентов, целесообразным представляется сокращение срока от утверждения технического задания до запуска в серийное производство образцов ЭКБ до 6–12, а в перспективе – до 3–5 месяцев.
Для достижения этой цели необходимо формирование новой концепции процесса разработки, производства и применения ЭКБ, которая позволит минимизировать сроки выполнения наиболее времязатратных этапов создания нового продукта и по возможности обеспечить высокую степень распараллеливания работ.
МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП РАЗРАБОТКИ
В мире уже долгое время существует тенденция к расширению применения модульного подхода при построении различных систем. Определение и следование стандартам сопряжения различных модулей – как физического, так и информационного – позволяют максимально использовать существующие решения при повышении характеристик или расширении функционала изделия, заменяя в нем или добавляя лишь те модули, которые определяют улучшаемые параметры.
Одним из наиболее ярких примеров эффективности модульного принципа являются широко распространенные IBM-совместимые персональные компьютеры, в которых многие доработки могут выполняться самими пользователями с минимальной необходимой подготовкой путем замены или добавления таких модулей, как видео-, звуковые, сетевые карты, модули памяти и т. п.
В приложении к ЭКБ это нашло отражение, в частности, в современных методах создания систем на кристалле (СнК). В таких проектах широко применяются IP-блоки, выполняющие определенные функции и разрабатываемые, как правило, специализирующимися на таких решениях компаниями. В проекте СнК процессорные ядра, память, внешние интерфейсы, различные контроллеры могут представлять собой покупные IP-блоки, что дает возможность разработчику сконцентрироваться на архитектуре системы и ее физическом воплощении, не затрачивая время и ресурсы на реализацию типовых функций. Многие IP-блоки поставляются их разработчиками на физическом уровне с привязкой к конкретному технологическому процессу, что еще более облегчает процесс разработки системы.
Использование IP-блоков кардинально упрощает создание новых версий СнК. Например, при необходимости замены внешнего интерфейса на более новую версию требуется заменить только соответствующий IP-блок без переработки остальной архитектуры.
Этот подход также открывает возможности для параллельного развития технологий. В то время как разработчиками СнК создаются, отлаживаются и запускаются в производство системы на определенных процессорных ядрах и с определенными внешними интерфейсами, разработчики IP-блоков уже ведут разработку следующих их поколений, которые будут подготовлены к использованию в новых версиях СнК к тому моменту, когда они будут востребованы.
ВЫБОР БАЗОВОГО ПОДХОДА
Для реализации модульного принципа разработки отечественной ЭКБ необходимо выбрать базовый подход. При этом нужно учитывать, что наиболее динамично развивающимися и критичными с точки зрения импортозамещения и дальнейшего развития типами ЭКБ являются полупроводниковые изделия и электронные модули, в том числе цифровой и СВЧ-электроники.
Приведенный выше пример разработки СнК находит широкое применение в данных областях, в том числе и в нашей стране. В России существует ряд дизайн-центров, выполняющих разработку СнК на передовых технологических нормах и с архитектурами, соответствующими мировому уровню. Однако этот подход в текущей ситуации обладает рядом недостатков, среди которых:
• длительный процесс проектирования и верификации проектов;
• большие затраты времени и средств при внесении изменений в проект по результатам испытаний опытных образцов;
• высокая стоимость производства малых партий изделий;
• широкое применение IP-блоков от зарубежных поставщиков;
• изготовление кристаллов с малыми проектными нормами на зарубежных фабриках до введения в эксплуатацию и отработки соответствующих технологий на российских предприятиях, что приводит к зависимости от иностранных фабрик и, следовательно, ставит под угрозу безопасность и надежность поставок.
Бульшая часть ЭКБ, востребованной отечественной промышленностью на данный момент и в обозримой перспективе, характеризуется низкими объемами с точки зрения кристального производства и широкой номенклатурой, что является труднопреодолимым препятствием для обеспечения конкурентоспособности в сравнении с продукцией крупных зарубежных производителей как в отношении скорости развития, так и в ценовом аспекте. В то же время такая ЭКБ в своем большинстве не требует применения передовых проектных норм, преимущественно востребованных в массовых потребительских изделиях, таких как мобильные телефоны.
В связи с этим представляется целесообразным в качестве базового подхода рассмотреть системы в корпусе (СвК), в которых модульность обеспечивается на уровне отдельных кристаллов, а не части кристалла, что позволяет унифицировать изделия кристального производства, тем самым сократив их номенклатуру и повысив применяемость каждой позиции, а следовательно и объемы партий.
Далее, при применении систем в корпусе обеспечивается модульность и на следующем уровне конструктивной декомпозиции. При возможности трехмерной компоновки СвК добавление в нее новых кристаллов и других компонентов для расширения функциональности может происходить без изменения посадочного места. Таким образом, замена такого компонента на его новую версию может выполняться без изменения конструкции печатной платы.
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ
СИСТЕМ В КОРПУСЕ
При выборе конструктивного исполнения СвК необходимо учитывать требования высокой функциональности и снижения массогабаритных характеристик современных и перспективных образцов ЭКБ, что наряду с упомянутым выше обеспечением модульности на уровне печатного узла диктует применение трехмерных структур электронных модулей.
В сравнении с другими типами используемых в настоящее время конструкций СвК, такими как модули на кристаллах, на печатных платах, толстопленочные ГИС, существенными преимуществами обладает применение в качестве подложки модуля низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC). Эти преимущества включают следующее:
• возможность интеграции в одном модуле устройств различного функционального назначения, таких как приемопередатчики беспроводных протоколов, аналоговые схемы и схемы преобразования, средства обработки данных, схемы обеспечения электропитания и др.;
• высокая плотность компоновки, в том числе за счет применения трехмерных многослойных керамических подложек и размещения пассивных компонентов внутри подложки, позволяет значительно уменьшить габариты изделий и длину электрических связей, в особенности в сравнении с модулями на печатных платах;
• высокая надежность за счет монолитности подложек с проводящими и диэлектрическими зонами, а также возможности выполнения соединений с кристаллами и компонентами по различным технологиям, включая приклейку, пайку и проволочную разварку;
• прогнозируемое и управляемое распределение тепловых полей в объеме;
• рабочие частоты до 100–120 ГГц;
• рабочие температуры от –60 до 350 °C;
• низкая температура обжига керамики позволяет применять проводники с малым удельным сопротивлением, такие как золото и серебро, вместо молибдена и вольфрама, используемых в технологии высокотемпературной керамики (HTCC);
• высокая степень автоматизации, компактность и экологическая чистота производства многослойных керамических модулей, отсутствие «мокрых» химических процессов.
Исходя из указанных преимуществ перспективным представляется применение в качестве конструктивного исполнения высокофункциональных 3D-модулей с малыми массогабаритными характеристиками трехмерных микросборок на основе LTCC-структур.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Производство кристаллов для применения в 3D-LTCC СвК, обеспечивающих функциональность для большого количества текущих задач импортозамещения и создания востребованной отечественной ЭКБ, сопоставимую с IP-блоками в СнК, может быть организовано на технологических процессах с проектными нормами, существующими на российских фабриках. В перспективе, с вводом в строй новых фабрик с меньшими проектными нормами их возможности будут востребованы для дальнейшего улучшения характеристик, функциональности, миниатюризации и расширения сферы применения систем в корпусе.
Для реализации техпроцесса изготовления 3D-LTCC СвК Научно-производственным центром «СпецЭлектронСистемы» (НПЦ СЭС) была создана производственная площадка в Технополисе «Москва». Данное производство обеспечивает полный цикл разработки и изготовления трехмерных многослойных керамических модулей на основе технологии LTCC, включая сборку и герметизацию изделий. Производственная структура и наличие спектра базовых технологий обеспечивают возможность одновременного выполнения как работ по созданию новых продуктов, включая изготовление экспериментальных, пилотных образцов, так и серийного производства разработанных изделий.
Следует отметить, что применение унифицированных кристаллов и отработанных типовых техпроцессов LTCC с соответствующим комплексом производственного контроля качества и подтвержденной повторяемостью позволяет существенно сократить временные затраты, связанные с постановкой на производство и испытаниями новых изделий.
ЭКОСИСТЕМА
Процесс разработки, производства и применения ЭКБ, основанной на технологии 3D-LTCC, предполагает формирование экосистемы, охватывающей всю цепочку, включая разработку и производство кристаллов и дискретных компонентов для применения в системах в корпусе. Для того чтобы в полной мере реализовать потенциал по сокращению сроков создания новых изделий ЭКБ, необходимо формирование библиотек стандартных компонентов и блоков, доступных для всех компаний, участвующих в разработке СвК, в том числе из числа субъектов малого и среднего бизнеса, привлечение которых к участию в данном процессе могло бы дать существенный эффект. Еще одним немаловажным компонентом экосистемы должны стать разработчики и поставщики САПР, при этом использование САПР должно стать унифицированным, а доступ к ним должен быть обеспечен в том числе посредством центров коллективного пользования.
Создание полноценной экосистемы обеспечит комфортные условия для интеграции в процесс разработчиков аппаратуры, которые за счет использования в своих разработках передовых отечественных СвК смогут достичь высоких, конкурентоспособных характеристик конечных изделий. ●
Отзывы читателей
