eng
Выпуск #9/2018
Верник Петр Аркадьевич
Комплекс мер по качественному сокращению сроков разработки и запуска в производство передовой ЭКБ
Комплекс мер по качественному сокращению сроков разработки и запуска в производство передовой ЭКБ
Просмотры: 2875
Анализируются ограничивающие этапы и факторы в существующих процессах разработки и производства ЭКБ, сдерживающие сокращение сроков от утверждения технического задания до запуска в серийное производство и применения новых типов компонентов в конечных изделиях, а также увеличение количества импортозамещающих разработок. Предлагается концепция построения данных процессов, основанная, в частности, на модульном принципе проектирования, широком применении САПР и библиотек стандартных блоков, разработке типовых техпроцессов с применением трехмерных структур микроблоков на основе технологии LTCC, направленная на качественное сокращение временных затрат при создании передовой отечественной ЭКБ как в целях импортозамещения, так и дальнейшего развития.
УДК 621.3.049.76:658.5
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.554.557
УДК 621.3.049.76:658.5
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.554.557
Теги: 3d-structure electronic component base electronic modules import substitution low temperature co-fired ceramic microelectronic products organization of electronic component base development and produc импортозамещение микроэлектронные изделия низкотемпературная совместно обжигаемая керамика организация процесса разработки и производства экб трехмерная конструкция электронная компонентная база электронные модули
В соответствии с Планом содействия импортозамещению в промышленности, утвержденным Распоряжением Правительства РФ от 30 сентября 2014 года № 1936-р, а также в связи с развитием сфер применения электроники, необходимы разработка и запуск в производство большой номенклатуры отечественных типономиналов электронной компонентной базы (ЭКБ). По различным оценкам, количество подлежащих замене импортных типов электронных компонентов составляет от 7 до 35 тысяч, а потребность в новых типах – порядка 20 тыс. Импортозамещение ЭКБ реализуется через ФЦП № 1 в период с 2015 по 2020 год. В настоящее время в год в серийное производство запускается менее 50 образцов ЭКБ, что существенно ниже роста потребления, а типичный срок выполнения работ по запуску в производство нового типономинала составляет два – три года.
Таким образом, для обеспечения выполнения стоящих перед электронной отраслью задач по импортозамещению ЭКБ необходимо кардинальное сокращение сроков от утверждения технического задания до запуска в серийное производство и применения новых типов компонентов в конечных изделиях, а также значительное увеличение количества импортозамещающих разработок. С учетом общемировой тенденции к ускорению постановки на производство и применения электронных компонентов, целесообразным представляется сокращение срока разработки и запуска в серийное производство образцов ЭКБ до 3–5 месяцев.
Для достижения этой цели необходимо выявление наиболее время- и ресурсозатратных этапов и других ограничивающих факторов в существующих процессах разработки и производства ЭКБ и создание концепции построения данного процесса, основанной на новых конструкторско-технологических и организационно-экономических подходах, которые позволяют свести к минимуму временные затраты и привлечь к разработке ЭКБ компании, обладающие соответствующими компетенциями, в том числе из числа малых и средних предприятий, а также реализовать потенциал инициативных проектов и стартапов.
При разработке концепции следует учитывать в том числе следующие факторы.
1. При качественном сокращении сроков до запуска в серийное производство должно быть обеспечено выполнение комплекса мер в необходимом и достаточном объеме для подтверждения надежности и минимизации рисков, связанных с применением нового образца ЭКБ.
2. Необходимо обеспечение максимально высокого уровня унификации как образцов ЭКБ, так и методов конструирования и технологических процессов.
3. Необходима минимизация себестоимости разрабатываемых образцов ЭКБ при выполнении заданных технических требований.
4. Конструкторско-технологические аспекты концепции должны учитывать современное состояние мировой электронной промышленности и быть направлены на обеспечение сравнимого или превосходящего зарубежные аналоги технического уровня отечественной ЭКБ с учетом будущего развития компонентной базы в общемировом масштабе.
Учитывая, что наиболее динамично развивающимися и критичными с точки зрения импортозамещения типами ЭКБ являются полупроводниковые изделия и электронные модули, в том числе цифровой и СВЧ-электроники, для выявления ограничивающих этапов и факторов с позиций сокращения сроков рассмотрим типовую цепочку разработки и постановки на серийное производство образцов ЭКБ этих типов. Данная цепочка состоит из следующих основных этапов:
1. Проектирование кристалла.
2. Подготовка производства и изготовление опытных образов кристалла.
3. Испытания, тестирование и аттестация кристалла.
4. Проектирование функционального модуля.
5. Подготовка производства и изготовление опытных образцов функционального модуля.
6. Испытания, тестирование и аттестация функционального модуля.
7. Постановка функционального модуля на серийное производство.
В сложившейся практике длительность этапов 1–3 занимает порядка 1–1,5 лет. Проектирование и процесс перехода к серийному производству по пунктам 4–7 занимают от одного до двух лет, причем наиболее времязатратными работами являются испытания и аттестация функционального модуля.
В целях качественного сокращения сроков проектирования предлагается переход к модульному принципу разработки, что требует создания библиотеки стандартных блоков, доступных для всех компаний, участвующих в разработке импортозамещающей ЭКБ, в том числе из числа субъектов малого и среднего бизнеса (МСП). Применение данной библиотеки и ее постоянное обновление с учетом передовых достижений фундаментальной и прикладной науки позволят обеспечить высокий уровень унификации и широко использовать результаты НИОКР в различных проектах, сократив их объем в рамках разработки отдельных образцов ЭКБ, а модульный принцип существенно уменьшит временные затраты на создание передовых компонентов и их совершенствование.
Также в сокращении сроков проектирования большую роль играет применение САПР. При этом на данный момент использование САПР в организациях не унифицировано, что приводит к проблемам взаимодействия организаций как между собой, так и с производством. Кроме того, стоимость современных САПР весьма велика. Затраты на их приобретение становятся барьером для участия малых и средних предприятий в импортозамещении ЭКБ.
Таким образом, должно обеспечиваться применение согласованных и рекомендованных пакетов САПР. В рамках создания Центра поддержки МСП — разработчиков ЭКБ предусмотрена работа по инвентаризации уже приобретенных в интересах госкомпаний и подведомственных организаций лицензий зарубежного ПО для организации доступа к ним через Центры коллективного пользования, информационным сопровождением которых занимается ФГБУ РИЭПП, а также взаимодействие с российскими разработчиками САПР для применения их продуктов в мероприятиях по импортозамещению ЭКБ.
Одним из самых трудоемких и времязатратных этапов является этап тестирования и испытаний, поскольку ряд методик предполагает длительные выдержки изделий при воздействии определенных условий. Проведение таких испытаний может требовать от четырех до восьми месяцев. Для сокращения общего срока до запуска серийного производства и применения в конечных изделиях новых типов ЭКБ представляется необходимым использование типовых сертифицированных техпроцессов, гарантированно обеспечивающих изготовление изделий с требуемым уровнем качества и надежности при условии применения в них испытанных стандартных блоков и материалов, а также применение унифицированных и согласованных программных средств моделирования.
Также следует учитывать, что проведение испытаний опытных образцов и их составляющих является большой финансовой нагрузкой для субъектов МСП и стартапов. Для снижения данного барьера предлагается разработать программы софинансирования на этапе испытаний, осуществление которых может выполняться через Центр поддержки МСП – разработчиков ЭКБ.
Применение типовых техпроцессов также позволит существенно сократить сроки и затраты на производственных этапах: подготовки производства и изготовления опытных образцов и постановки изделия на серийное производство.
При выборе типовых техпроцессов необходимо учитывать требования высокой функциональности и снижения массогабаритных характеристик современных и перспективных образцов ЭКБ, что диктует применение трехмерных структур электронных модулей.
В настоящее время существуют следующие концепции построения 3D-структур:
1. модули на кристаллах;
2. классические бескорпусные сборки и гибридные интегральные схемы (ГИС);
3. 3D-модули на многослойной керамике.
В сравнении с другими технологиями применение низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC) предоставляет следующие преимущества:
• более экономичное производство по сравнению с традиционной толстопленочной технологией;
• возможность проектирования и производства трехмерных многослойных керамических модулей;
• возможность размещения пассивных компонентов внутри подложки, что уменьшает размер контуров более чем на 50 % по сравнению с печатными платами;
• хорошая теплопроводность по сравнению с печатными платами;
• рабочие частоты до 40 ГГц;
• рабочие температуры до 350°C;
• температура обжига порядка 850°C позволяет применять материалы с малым удельным сопротивлением, такие как золото и серебро, вместо молибдена и вольфрама, используемых в технологии высокотемпературной керамики (HTCC);
• каждый слой инспектируется до сборки модуля, что повышает процент выхода годных изделий;
• отличная герметизация слоев;
• технологический цикл производства многослойных керамических модулей экологически чист и компактен;
• отсутствие «мокрых» химических процессов;
• многие процессы при серийном производстве автоматизированы;
• обеспечивается сокращение производственных циклов по сравнению с обычными толстопленочными технологиями.
Указанные преимущества обеспечивают построение экономичного производства для создания передовых функциональных модулей с высокой функциональностью и малыми массогабаритными характеристиками, а с учетом создания библиотек базовых блоков и широкого применения САПР позволяют производить разработку и постановку на производство новых образцов, а также закладывать их в проекты конечных изделий в кратчайшие сроки. Таким образом, в качестве основы для типовых сертифицированных техпроцессов изготовления функциональных модулей наиболее перспективным представляется применение трехмерных LTCC-структур.
Для реализации данных техпроцессов Научно-производственным центром «СпецЭлектронСистемы» (НПЦ СЭС) в первой половине 2018 года планируется ввод в строй производственных мощностей, расположенных в Технополисе «Москва». Данное производство имеет модульный принцип построения и обеспечивает полный цикл разработки и производства трехмерных многослойных керамических модулей на основе технологии LTCC, а также сборки и герметизации микроэлектронных изделий на основе таких модулей. 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.
Предлагаемый комплекс мер позволит качественно изменить процесс создания передовой отечественной ЭКБ как в целях импортозамещения, так и дальнейшего развития, что даст возможность значительно сократить затраты времени и ресурсов для реализации проектов от этапа разработки до постановки на серийное производство и начала применения новых образцов ЭКБ в конечных изделиях.
Таким образом, для обеспечения выполнения стоящих перед электронной отраслью задач по импортозамещению ЭКБ необходимо кардинальное сокращение сроков от утверждения технического задания до запуска в серийное производство и применения новых типов компонентов в конечных изделиях, а также значительное увеличение количества импортозамещающих разработок. С учетом общемировой тенденции к ускорению постановки на производство и применения электронных компонентов, целесообразным представляется сокращение срока разработки и запуска в серийное производство образцов ЭКБ до 3–5 месяцев.
Для достижения этой цели необходимо выявление наиболее время- и ресурсозатратных этапов и других ограничивающих факторов в существующих процессах разработки и производства ЭКБ и создание концепции построения данного процесса, основанной на новых конструкторско-технологических и организационно-экономических подходах, которые позволяют свести к минимуму временные затраты и привлечь к разработке ЭКБ компании, обладающие соответствующими компетенциями, в том числе из числа малых и средних предприятий, а также реализовать потенциал инициативных проектов и стартапов.
При разработке концепции следует учитывать в том числе следующие факторы.
1. При качественном сокращении сроков до запуска в серийное производство должно быть обеспечено выполнение комплекса мер в необходимом и достаточном объеме для подтверждения надежности и минимизации рисков, связанных с применением нового образца ЭКБ.
2. Необходимо обеспечение максимально высокого уровня унификации как образцов ЭКБ, так и методов конструирования и технологических процессов.
3. Необходима минимизация себестоимости разрабатываемых образцов ЭКБ при выполнении заданных технических требований.
4. Конструкторско-технологические аспекты концепции должны учитывать современное состояние мировой электронной промышленности и быть направлены на обеспечение сравнимого или превосходящего зарубежные аналоги технического уровня отечественной ЭКБ с учетом будущего развития компонентной базы в общемировом масштабе.
Учитывая, что наиболее динамично развивающимися и критичными с точки зрения импортозамещения типами ЭКБ являются полупроводниковые изделия и электронные модули, в том числе цифровой и СВЧ-электроники, для выявления ограничивающих этапов и факторов с позиций сокращения сроков рассмотрим типовую цепочку разработки и постановки на серийное производство образцов ЭКБ этих типов. Данная цепочка состоит из следующих основных этапов:
1. Проектирование кристалла.
2. Подготовка производства и изготовление опытных образов кристалла.
3. Испытания, тестирование и аттестация кристалла.
4. Проектирование функционального модуля.
5. Подготовка производства и изготовление опытных образцов функционального модуля.
6. Испытания, тестирование и аттестация функционального модуля.
7. Постановка функционального модуля на серийное производство.
В сложившейся практике длительность этапов 1–3 занимает порядка 1–1,5 лет. Проектирование и процесс перехода к серийному производству по пунктам 4–7 занимают от одного до двух лет, причем наиболее времязатратными работами являются испытания и аттестация функционального модуля.
В целях качественного сокращения сроков проектирования предлагается переход к модульному принципу разработки, что требует создания библиотеки стандартных блоков, доступных для всех компаний, участвующих в разработке импортозамещающей ЭКБ, в том числе из числа субъектов малого и среднего бизнеса (МСП). Применение данной библиотеки и ее постоянное обновление с учетом передовых достижений фундаментальной и прикладной науки позволят обеспечить высокий уровень унификации и широко использовать результаты НИОКР в различных проектах, сократив их объем в рамках разработки отдельных образцов ЭКБ, а модульный принцип существенно уменьшит временные затраты на создание передовых компонентов и их совершенствование.
Также в сокращении сроков проектирования большую роль играет применение САПР. При этом на данный момент использование САПР в организациях не унифицировано, что приводит к проблемам взаимодействия организаций как между собой, так и с производством. Кроме того, стоимость современных САПР весьма велика. Затраты на их приобретение становятся барьером для участия малых и средних предприятий в импортозамещении ЭКБ.
Таким образом, должно обеспечиваться применение согласованных и рекомендованных пакетов САПР. В рамках создания Центра поддержки МСП — разработчиков ЭКБ предусмотрена работа по инвентаризации уже приобретенных в интересах госкомпаний и подведомственных организаций лицензий зарубежного ПО для организации доступа к ним через Центры коллективного пользования, информационным сопровождением которых занимается ФГБУ РИЭПП, а также взаимодействие с российскими разработчиками САПР для применения их продуктов в мероприятиях по импортозамещению ЭКБ.
Одним из самых трудоемких и времязатратных этапов является этап тестирования и испытаний, поскольку ряд методик предполагает длительные выдержки изделий при воздействии определенных условий. Проведение таких испытаний может требовать от четырех до восьми месяцев. Для сокращения общего срока до запуска серийного производства и применения в конечных изделиях новых типов ЭКБ представляется необходимым использование типовых сертифицированных техпроцессов, гарантированно обеспечивающих изготовление изделий с требуемым уровнем качества и надежности при условии применения в них испытанных стандартных блоков и материалов, а также применение унифицированных и согласованных программных средств моделирования.
Также следует учитывать, что проведение испытаний опытных образцов и их составляющих является большой финансовой нагрузкой для субъектов МСП и стартапов. Для снижения данного барьера предлагается разработать программы софинансирования на этапе испытаний, осуществление которых может выполняться через Центр поддержки МСП – разработчиков ЭКБ.
Применение типовых техпроцессов также позволит существенно сократить сроки и затраты на производственных этапах: подготовки производства и изготовления опытных образцов и постановки изделия на серийное производство.
При выборе типовых техпроцессов необходимо учитывать требования высокой функциональности и снижения массогабаритных характеристик современных и перспективных образцов ЭКБ, что диктует применение трехмерных структур электронных модулей.
В настоящее время существуют следующие концепции построения 3D-структур:
1. модули на кристаллах;
2. классические бескорпусные сборки и гибридные интегральные схемы (ГИС);
3. 3D-модули на многослойной керамике.
В сравнении с другими технологиями применение низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (LTCC) предоставляет следующие преимущества:
• более экономичное производство по сравнению с традиционной толстопленочной технологией;
• возможность проектирования и производства трехмерных многослойных керамических модулей;
• возможность размещения пассивных компонентов внутри подложки, что уменьшает размер контуров более чем на 50 % по сравнению с печатными платами;
• хорошая теплопроводность по сравнению с печатными платами;
• рабочие частоты до 40 ГГц;
• рабочие температуры до 350°C;
• температура обжига порядка 850°C позволяет применять материалы с малым удельным сопротивлением, такие как золото и серебро, вместо молибдена и вольфрама, используемых в технологии высокотемпературной керамики (HTCC);
• каждый слой инспектируется до сборки модуля, что повышает процент выхода годных изделий;
• отличная герметизация слоев;
• технологический цикл производства многослойных керамических модулей экологически чист и компактен;
• отсутствие «мокрых» химических процессов;
• многие процессы при серийном производстве автоматизированы;
• обеспечивается сокращение производственных циклов по сравнению с обычными толстопленочными технологиями.
Указанные преимущества обеспечивают построение экономичного производства для создания передовых функциональных модулей с высокой функциональностью и малыми массогабаритными характеристиками, а с учетом создания библиотек базовых блоков и широкого применения САПР позволяют производить разработку и постановку на производство новых образцов, а также закладывать их в проекты конечных изделий в кратчайшие сроки. Таким образом, в качестве основы для типовых сертифицированных техпроцессов изготовления функциональных модулей наиболее перспективным представляется применение трехмерных LTCC-структур.
Для реализации данных техпроцессов Научно-производственным центром «СпецЭлектронСистемы» (НПЦ СЭС) в первой половине 2018 года планируется ввод в строй производственных мощностей, расположенных в Технополисе «Москва». Данное производство имеет модульный принцип построения и обеспечивает полный цикл разработки и производства трехмерных многослойных керамических модулей на основе технологии LTCC, а также сборки и герметизации микроэлектронных изделий на основе таких модулей. 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.
Предлагаемый комплекс мер позволит качественно изменить процесс создания передовой отечественной ЭКБ как в целях импортозамещения, так и дальнейшего развития, что даст возможность значительно сократить затраты времени и ресурсов для реализации проектов от этапа разработки до постановки на серийное производство и начала применения новых образцов ЭКБ в конечных изделиях.
Отзывы читателей
