Микроминитюаризация: радиоаппарат в корпусе авторучки

(статья из журнала Наука и Техника, от августа 1964 г.)

В наши дни почти ни одна отрасль науки не может обойтись без применения радиоэлектронных инструментов. Но очень часто нас не удовлетворяют конструкция и точность этих инструментов, а также другие их параметры, особенно вес и габариты. Именно поэтому в аппаратуру космических ракет нельзя вмонтировать, скажем, вычислительную машину «БЭСМ». Поэтому за последние 6— 7 лет специалисты по радиоэлектронике в сотрудничестве с физиками, химиками и представителями других отраслей науки приложили немало усилий, чтобы уменьшить габариты и вес электронной аппаратуры.

Результатом этих усилий и явилось существенное уменьшение габаритов и веса радиотехнических деталей (в специальной литературе их называют также элементами). Свидетельство этому — размеры ламповых и транзисторных приемников.

Однако, применяя только такой способ миниатюризации аппаратуры (то есть, не создавая новых конструкций, а только уменьшая размеры существующих электрических схем), нельзя удовлетворить все требования, которые предъявляются в наши дни к подобной аппаратуре. При уменьшении размеров элементов усложняется монтаж схемы, в результате чего уменьшается ее эксплуатационная надежность. Поэтому конструкторы вынуждены искать и другие пути миниатюризации. Появились новые, принципиально отличающиеся от старых способы конструирования аппаратуры, а также новая технология ее изготовления. Суть их можно выразить одним термином — «микроминиатюризация». Целью микроминиатюризации является не только уменьшение габаритов и веса аппаратуры, но и увеличение ее срока службы (надежности).

Эксплуатационная надежность есть вероятность того, что аппаратура в течение какого-то определенного времени будет функционировать нормально. Надежность может меняться от 1 (аппаратура абсолютно надежна) до 0 (аппаратура полностью непригодна). Используются и такие понятия, как среднее время наработки между двумя отказами и частота отказов. Обычно причиной отказа аппаратуры являются вышедшие из строя отдельные ее элементы. Чем больше в схеме элементов, тем выше частота отказов. Это объясняется тем, что при увеличении числа элементов схемы увеличивается и вероятность того, что отдельные элементы выйдут из строя. Из оказанного ясно, что для того, чтобы достичь высокой степени надежности аппаратуры, надо максимально увеличить надежность отдельных ее элементов.

1000 элементов в кубическом сантиметре

За последние 15—20 лет резко возросла степень сложности электронных устройств. Так, с 1954 по 1961 год количество элементов в самолетной радиоаппаратуре возросло в среднем в 12 раз. Если мы примем, что качество радиодеталей за это время осталось неизменным, то, естественно, надо было бы ожидать, что одновременно с увеличением сложности оборудования возросла и частота отказов. Но наряду с возрастанием числа элементов в аппаратуре значительно возросла и надежность отдельных элементов. Это явилось результатом широкой автоматизации производства и применения новых материалов. В результате среднее время наработки между отказами не только не уменьшилось, но значительно возросло.

Различают три главных вида микроминиатюризации: микромодульный метод, метод тонкопленочных схем и метод молекулярных блоков. Эти методы позволяют значительно увеличить плотность монтажа, то есть количество элементов схемы, размещенных в одном кубическом сантиметре ее объема.

В настоящее время плотность монтажа в схемах с использованием малогабаритных радиоламп в отдельных узлах схемы достигает 0,3 (то есть примерно одна деталь на 3 см3). В микромодулях плотность монтажа достигает примерно 20, в тонкопленочных схемах — 200, а в устройствах молекулярной электроники (молектроники) — даже 1000. Стало быть, 1000 элементов в одном кубическом сантиметре! Это значит, что электрическая схема радиоприемника «Фестиваль» при такой плотности монтажа уместилась бы в объеме, меньшем чем 0,5 см3. Некоторые фирмы США с помощью вышеупомянутых методов создали, например, образец радиоаппарата, размещенного в корпусе обыкновенной авторучки, причем большую часть объема занимает магнитная антенна; на выходе подключаются наушники. Создан также приемник величиной с кусочек сахара. Недавно появилось сообщение, что одна фирма выпустила приемник еще меньших габаритов.

За счет чего достигаются столь малые габариты? Микромодульный метод использует миниатюрные детали стандартной формы, собираемые в плотные узлы, которые затем герметизируются. Такие узлы называются микромодулями. Все они имеют одинаковую форму, поэтому в блоках из микромодулей неиспользованную часть пространства можно свести к минимуму. Габариты аппаратуры уменьшаются и в том случае, если использовать для нескольких деталей общий защитный корпус или разместить их на обшей подложке. В большинстве современных транзисторов полупроводниковый кристалл, фактически представляющий собой транзистор, занимает лишь около десятой части объема транзистора. Остальная доля объема приходится на корпус. Одна фирма недавно начала выпуск необычной продукции: пять транзисторов, вмонтированных в один стандартный корпус. В результате достигается пятикратная экономия места.

Эксплуатационная надежность микроминиатюрных схем в большинстве случаев выше надежности обычной аппаратуры, так как в процессе производства отдельных узлов и блоков широко используются автоматические и полуавтоматические методы, что позволяет осуществлять контроль на всех этапах изготовления элемента, узла или блока. Вследствие этого возрастает надежность аппаратуры.

Уменьшение габаритов отдельных блоков позволяет применить для них общую герметизацию, что уменьшает влияние внешней среды и повышает надежность. Миниатюрные размеры узлов и блоков дают возможность дублировать важнейшие части электронной схемы. Если в такой аппаратуре какой-нибудь узел выходит из строя, то автоматически включается дублирующий узел, который принимает на себя функции узла, вышедшего из строя. Перед инженерами сто,ит великолепный, по не поддающийся пока воспроизведению образец — человеческий мозг. Он содержит несколько миллиардов «элементов» — нейронов. Каждый день погибает .несколько тысяч нейронов, которые уже не восстанавливаются, однако мозг нормально функционирует многие десятилетия!

При конструировании микроминиатюрных узлов приходится сталкиваться с большими трудностями. Каждая электрическая схема в процессе работы выделяет определенное количество тепла, значит температура схемы превышает температуру окружающей среды. Эта разность температур тем больше, чем меньше поверхность схемы, с которой рассеивается тепло. При уменьшении размеров узлов уменьшается и их поверхность. Это значит, что при одной и той же потребляемой мощности уменьшение габаритов узла приводит к повышению его температуры, что может привести к перегреву аппаратуры.

Таким образом, необходимо создавать схемы, потребляющие небольшую мощность. В этом направлении уже достигнуты довольно значительные успехи. Схемы, действующие на маломощных электронных лампах, потребляют всего десятые доли ватта. Для транзисторных схем (с обычным монтажом) это число уменьшается до нескольких единиц или десятков милливатт. Разработанные в последнее время схемы потребляют лишь несколько микроватт (1 микроватт = 10_е ватта); в ближайшее время специалисты надеются создать схемы, которым достаточно будет менее одного микроватта.

В микроминиатюрном исполнении пока не созданы емкости и индуктивности большой величины, так как

конструкция элементов и технология их изготовления существенно не изменились. Поэтому, во-первых, разрабатываются электрические схемы-эквиваленты, которые по своим свойствам сходны либо с емкостью, либо с индуктивностью. Во-вторых, разрабатываются такие схемы, в которых не нужны емкости и индуктивности большой величины, особенно потому, что схема-эквивалент не всегда является равноценной заменой индуктивности. Например, в аппаратуре связи, где требуются катушки с большой стабильностью и добротностью, схемы-эквиваленты неприменимы.

Конструкторам микросхем надо преодолеть и другие трудности. Например, при уменьшении размеров схем возникают различные паразитные связи между отдельными элементами, которые ограничивают диапазон рабочих частот схемы, выходную мощность и другие параметры. Именно поэтому не создана пока аппаратура в микроминиатюрном исполнении для ультракоротковолнового диапазона и выше. Некоторые специалисты считают, что для применяемых в вычислительной технике молекулярных схем верхний частотный предел составляет около 50 мегагерц.

Ознакомимся несколько подробнее с некоторыми методами микроминиатюризации.

Микромодули

Микромодулями называются миниатюрные узлы стандартной формы и стандартных размеров. Из этих узлов собирается малогабаритная электронная аппаратура. Микромодули представляют собой герметические неремонтируемые узлы, поэтому в случае неисправности они заменяются целиком. В аппаратуре микромодуль выполняет функции усилителя, генератора, триггера, мультивибратора и т. д. Чтобы обеспечить небольшие габариты, используются специальные миниатюрные элементы, которые размещаются на изолирующей подложке стандартной формы (например, из керамики). Эти подложки — микроплаты — обычно имеют форму квадрата и одинаковые размеры. В некоторых заграничных микромодулях используются микроплаты размером 7,9X7,9X0,25 мм. На микроплате размещается один или несколько элементов, выводы которых соединяются с металлизированными углублениями на краях платы. Высота элемента вместе с подложкой колеблется (в зависимости от элемента) от 0,25 мм до нескольких миллиметров. При монтаже микроплаты располагаются одна над другой на расстоянии примерно 0,25 мм; в углублениях микроплат размещаются соединительные проводники, которые в нужных местах припаиваются к платам. Эти проводники одновременно служат и для повышения механической прочности микромодуля. Внешний вид описанной конструкции напоминает этажерку (рис. 16). После пайки микромодуль герметизируется: его помещают в форму и заливают специальным затвердевающим составом.

Пленочные микросхемы

Этот метод микроминиатюризации позволяет разместить элементы на общей подложке и достичь высокой плотности монтажа. Во многих случаях элементы конструктивно неотделимы, й их нельзя заменить. Сопротивления, конденсаторы и другие элементы выполняются в виде тонких пленок, которые и образуют микросхему. Попеременным осаждением на подложку проводящих (из алюминия, меди, золота или серебра) и диэлектрических (из окиси кремния, тантала или алюминия, из титаната бария и других материалов) слоев получают конденсатор. Индуктивность порядка до нескольких микрогенри получают, нанося на подложку толстослойные спирали из проводящего материала. Большую индуктивность таким способом получить нельзя.

По сообщениям американской печати, на основе пленочных микросхем создана вычислительная машина с быстродействием 20 ООО операций в секунду, содержащая 50 000 элементов. Ее объем — 10 дм3, вес — 7 кг. Она отличается большой’ эксплуатационной надежностью: был зарегистрирован всего один отказ после 1000 часов работы.

В Советском Союзе также ведется большая работа по созданию пленочных микросхем, и скоро на службу человеку будут поставлены новые замечательные вычислительные машины.

Молекулярная электроника

Под термином «молекулярная схема» (часто встречаются также термины «твердая схема» и «интегральная схема») подразумевают функциональный блок, который образуется в объеме кристалла твердого тела (обычно полупроводника) из проводящих, диэлектрических и полупроводниковых областей. Они расположены и соединены таким образом, что в кристалле образуется монолитный блок, выполняющий функции электрической схемы. В молекулярной схеме часто невозможно выделить отдельные элементы, настолько они сливаются конструктивно. В основу принципа действия молектронной схемы зачастую положены принципиально различные по сравнению с обычной электрической схемой физические и химические эффекты. Это можно показать на следующем примере.

Для превращения переменного тока в постоянный обычно употребляют различные выпрямители, которые превращают переменный ток в пульсирующий постоянный ток, и фильтры, сглаживающие пульсацию. На рис. 2 слева показан источник постоянного тока. Буквой D обозначен выпрямитель — полупроводниковый диод. Остальные элементы схемы — дроссель и конденсаторы — образуют фильтр.

Ту же проблему можно остроумно разрешить, используя достижения физики твердого тела. На том же рисунке оправа видно другое устройство, служащее для превращения переменного тока в постоянный. Через слой 1 с большим сопротивлением пропускают переменный ток. В соответствии с законом Джоуля — Ленца в слое выделится определенное количество тепла. Через тонкий изолирующий слой 2 тепло распространяется на полупроводниковый слой 3. В результате возникает разность температур между внешним краем слоя 3 и краем, соприкасающимся со слоем 2. Одновременно возникает и разность потенциалов между краями слоя 3, причем пульсации напряжения на выходе между точками 4 и 5 почти незаметны, потому что слои 1 и 3 обладают большой тепловой инерцией. Как видим, в таком устройстве трудно выделить элементы выпрямителя и фильтра.

В большинстве своем элементы молекулярной схемы конструктивно неотделимы и изготовляются одновременно. В процессе производства используют либо готовый полупроводниковый кристалл и при высокой температуре вводят в него соответствующие примеси, чтобы получить слои с нужными свойствами, либо примеси вводят в кристалл непосредственно во время его роста в нужных местах н в нужные моменты времени. В последнем случае узел молекулярной схемы образуется одновременно с ростом основного кристалла. Таким образом из расплава получают уже готовый электронный узел.

Молекулярные схемы характеризуются высокой степенью эксплуатационной надежности. В случае неисправности молектронные узлы, как и микромодули, заменяются новыми.

Молекулярные схемы, к сожалению, пока не нашли повсеместного применения, поскольку в технологии их производства имеются еще некоторые нерешенные проблемы, однако первые успехи уже достигнуты.