Современное состояние и тенденции развития электроники

Реферат

Оренбургский государственный университет

Оренбург 2013

1.Мировая микроэлектроника

Транзистор - одно из важнейших изобретений ХХ столетия, повлекшее за собой появление полупроводниковых приборов и микросхем. Эти устройства стали основой электронных систем и привели к проникновению электроники во все важнейшие для жизнедеятельности человека отрасли - энергетику, транспорт, связь, здравоохранение. Развитие микроэлектроники невозможно без постоянного совершенствования научного понимания свойств полупроводниковых материалов и приборов, а также технологических процессов, необходимых для изготовления современных изделий. И даже неискушенный потребитель не может не оценить "изобретательность" полупроводниковой промышленности. Возникают ли задачи масштабирования приборов и микросхем вплоть до нанометровых размеров, или увеличения производительности технологических операций, или ввода бизнес-модели предприятия, позволяющей успешно компенсировать высокие затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, полупроводниковая промышленность из года в год успешно находит их решение.

Электронная промышленность - стратегически важнейшая современная отрасль во всех странах мира. На ее долю приходится ~3,5% мирового ВВП. Развитие этой отрасли невозможно без совершенствования ее элементной базы, основа которой - современные полупроводниковые изделия. Производители полупроводниковых приборов постоянно увеличивают капитальные затраты на развитие полупроводниковой промышленности, совершенствование технологии и оборудования, требуемых для производства будущих поколений приборов. Это хорошо видно на примере динамики капитальных затрат, отчисляемых на развитие микросхем ДОЗУ, долгое время являвшихся основными компонентами, определяющими достигнутый уровень технологии .

Упрощение сложности новых производственных процессов играет решающую роль в обеспечении жизнеспособности будущих технологий микроэлектроники. Но из-за резкого роста затрат на освоение новой технологии микросхем по мере их масштабирования решение все нарастающих проблем полупроводниковой промышленности в первую очередь требует объединения усилий и финансов различных производителей (в том числе и различных отраслей промышленности).

1.1 Новые методы оценки сегментации рынка

Существуют различные методы сегментации рынка технологического оборудования: по технологическому назначению (например, установки литографии), по регионам или по профилю компаний, закупающих оборудование. В последнее время поставщики оборудования стали уделять больше внимания конечному назначению изделия заказчика, поскольку его потребности в основном определяются областью применения выпускаемой им продукции. Действительно, ведь именно конкретные области применения электронных устройств определяют направления развития технологического оборудования. С учетом растущей потребности в таких данных, компания VLSI Research сформировала базу данных продажи оборудования в зависимости от специализации заказчика. Категории заказчиков распределились следующим образом:

-полупроводниковые кремниевые заводы/субподрядчики (ПЗ/С). Эта категория заказчиков приобретает технологическое оборудования (заводы), а также тестовое и сборочное оборудование (субподрядчики);

-вертикально интегрированные фирмы (IDM), ведущие разработку, проектирование, производство и маркетинг схем памяти;

-IDM, выпускающие системы на кристалле (System-on-Chip - SoC). Эта категория подразделяется на подтипы в зависимости от применения SoC: вычислительная техника, системы связи, бытовая техника и другие;

-фирмы, выпускающие аналоговые схемы, дискретные и прочие полупроводниковые приборы.

.2 Проблемы кремниевых заводов

Кремниевые заводы сегодня - неотъемлемая часть всей цепи поставок полупроводниковых приборов и позитивно влияют на жизнеспособность всей полупроводниковой промышленности. Для дальнейшего развития кремниевых заводов важно предотвратить преобразование изначально уникального изделия в стандартный, массовый товар (дешевый и общедоступный). А это требует новой модели взаимоотношений между ПЗ и заказчиком, предусматривающей одновременное проектирование и определение требуемого технологического оборудования на ранней стадии разработки изделия заказчика. Для успешного развития такого сотрудничества, особенно при проектировании изделий с нанометровыми технологическими нормами, необходим гораздо больший, чем сейчас, обмен информацией, включающей данные о проектных нормах и SPICE-программу ПЗ., а также оптимизация конструкции и технологических процессов. Уровень доверия между сторонами должен быть высоким, и при этом необходимо обеспечить защиту информации. Такая модель сотрудничества предоставляет заказчикам большие возможности для достижения требуемого соотношения стоимость - рабочие характеристики и своевременного выхода на рынок. Для оптимизации конструкции и обеспечения максимального выхода годных разработчикам уже на ранних этапах проектирования необходима информация, касающаяся влияния вариации режимов производства на разброс параметров изделия, т.е. проектировать следует с учетом требований технологии изготовления изделия и сборки (design-for-manufacturing - DFM). Для успешной реализации DFM при проектировании конкретной схемы необходима соответствующая экосистема, в которую входят средства САПР, IP-блоки, библиотеки и сервисные услуги, совместимые с возможностями завода. Такая экосистема гарантирует возможность использования данных кремниевого завода при проектировании схемы любой конструкции независимо от применяемых IP-блоков, собственной или сторонней разработки.

2.Тенденции развития традиционных технологий

На современном этапе развития корпусирования можно выделить следующие основные тенденции:

-увеличение количества выводов;

-уменьшение минимального шага выводов компонентов в корпусах различных типов;

-переход от расположения выводов по периметру к расположению выводов под корпусом;

-интеграция нескольких компонентов в один корпус.

.1 Системы в корпусе

Система в корпусе (System in Package, SiP) - это комбинация нескольких активных электронных компонентов различной функциональности, собранная в единый модуль, которая обеспечивает реализацию разных функций, обычно выполняемых системой или подсистемой. Система в корпусе может иметь в своем составе пассивные компоненты, МЭМС, оптические компоненты и другие корпуса и устройства. Объединение этих компонентов в одном корпусе имеет существенные преимущества: конструкция становится меньше, легче, надежней и дешевле.

Сегодня число кристаллов в компонентах SiP для мобильных устройств доходит до 10 и, согласно прогнозам, через 10 лет удвоится.

2.2 Системы на кристалле

Системы на кристалле (System on Chip, SoC) представляют собой системы, все элементы которых изготовлены в одном кристалле.

Пример видеосистемы, реализованной на кристалле, состоящей из светочувствительной матрицы, RISC-процессора, процессора для цифровой обработки сигналов, RAM и флэш-памяти, а также параллельного и последовательного интерфейсов.

.3 Технология сборки на пластине (WLP)

Применение технологии WLP подразумевает, что все операции процесса корпусирования кристаллов проводятся до разделения пластины. Согласно первоначальному определению WLP требовалось, чтобы все выводы были расположены в пределах границы кристалла. В таком случае корпус компонента действительно имел размеры кристалла (в отличие от так называемых компонентов CSP), и такие компоненты получили обозначение WLCSP. Однако существенным ограничением технологии WLP в таком понимании было количество выводов, которые можно было бы расположить под кристаллом. Технология WLP может быть оптимальным выбором, когда требования дальнейшего уменьшения размеров компонентов, увеличения рабочей частоты и уменьшения стоимости не могут быть удовлетворены традиционными технологиями корпусирования: разваркой проволокой или монтажом кристалла по технологии flip-chip.

Недавно на рынке появились компоненты, не соответствующие «классическому» определению WLP. При их производстве полупроводниковая пластина разделяется на кристаллы до корпусирования, после чего кристаллы размещаются в полимерной матрице таким образом, чтобы каждый кристалл был по периметру окружен полимером. Затем полимерная матрица с установленными кристаллами подвергается операциям классической технологии WLP. Таким образом, ключевое преимущество компонентов WLP, изготавливаемых с применением полимерных матриц, заключается в размещении большего количества выводов на компоненте.

2.4 3D-интеграция

Под 3D-интеграцией понимается расположение кристаллов друг над другом с созданием вертикальных соединений между кристаллами. Потенциальные преимущества, обеспечиваемые 3D-интеграцией, включают в себя уменьшение размеров системы, сокращение длины межсоединений благодаря замене длинных горизонтальных связей на короткие вертикальные и снижение энергопотребления. Однако 3D-интеграции присущи и такие недостатки, как высокая сложность проектирования и высокая стоимость.

Существуют следующие технологии производства 3D-интегрированных структур:

-Кристалл на кристалл: отдельные кристаллы совмещаются и соединяются друг с другом.

-Кристалл на пластину: пластины с кристаллами одного уровня разделяются, и кристаллы совмещаются и соединяются с пластиной другого уровня, после чего происходит разделение этой пластины.

-Пластина на пластину: пластины совмещаются и соединяются друг с другом, после чего разделяются.

-Печатные платы со встроенными компонентами

Встраивание активных и пассивных компонентов в печатные платы позволяет реализовать новые технологии межсоединения без использования разварки, что обеспечивает улучшенные тепловые и электрические характеристики, а также возможность размещения кристалла над кристаллом.

2.5 МЭМС

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) - это технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты. Типичный размер микромеханических элементов, входящих в МЭМС, лежит в пределах от 1 до 100 мкм. В качестве примеров МЭМС можно привести датчики ускорений (в том числе используемые для активации автомобильных подушек безопасности), датчики давления воздуха в шинах автомобиля и кардиостимуляторы.

Основные преимущества МЭМС заключаются в низкой стоимости благодаря использованию технологий микроэлектроники для производства микромеханических элементов в малых размерах и малой массе, что позволяет использовать их в портативных устройствах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки; в существенно меньшем энергопотреблении.

.6 3D-MID

D-MID представляют собой 3D-основания из литого высокотемпературного термопласта, на которых выполнены 3D-проводники. Основные области применения 3D-MID - это автоэлектроника и устройства и системы телекоммуникаций. Кроме того, они используются в медицинской, компьютерной и бытовой технике.

D-MID обеспечивают очень высокую гибкость проектирования за счет возможности интеграции электронных, механических и оптических элементов, широких возможностей относительно формы устройства, миниатюризации. Среди других преимуществ этой технологии стоит отметить меньшее число входящих в состав элементов, повышенную надежность, меньшую материалоемкость.

2.7 Органическая и печатная электроника

Органическая и печатная электроника основана на сочетании новых материалов и экономически эффективных, массовых процессов производства, открывающих новые области применения. Малая толщина, малый вес, экологическая безвредность - вот что означает органическая электроника. Радиометки (RFID), сворачиваемые дисплеи, гибкие солнечные батареи, системы освещения, одноразовые средства диагностирования, игры, печатные батареи - это только несколько перспективных областей применения органической электроники.

Технологии, применяемые в органической и печатной электронике, основаны на использовании органических проводящих и полупроводящих материалов, а также неорганических материалов, пригодных для нанесения методом печати. Ключевые примеры изделий органической электроники: органические фотогальванические элементы, печатные радиометки, органическая память, органические датчики, гибкие батареи и интеллектуальные устройства.

Впервые органические электронные устройства появились на рынке в 2005-2006 гг. Пассивные идентификационные карточки, массово печатаемые на бумаге и используемые в качестве билетов или в игрушках, были представлены в 2006 г. Гибкие литий-полимерные батареи, производимые по технологии ротационной печати, уже несколько лет известны на рынке, их можно использовать в смарт-картах и других мобильных потребительских устройствах.

Печатные антенны уже широко применяются в традиционных устройствах радиочастотной идентификации на основе кремниевых кристаллов. Дальнейшее развитие печатных приемопередатчиков основано на применении кремниевых наночастиц на стальных подложках.

2.8 Графен

Учеными Норвежского технического университета была запатентована новая передовая технология. Без всякого сомнения, данную разработку можно причислить к ряду коммерческих, суть технологии заключается в новом способе выращивания полупроводниковых приборов на графеновой основе (подложке).

Полученный учеными материал выращивается при помощи новой технологии, когда нанопровода выращивают на атомарно тонких графеновых листах, с помощью метода молекулярно лучевой эпитаксии.

В свете всего вышесказанного стоит заметить, что сами разработчики делают ударение на тот факт, что получаемый продукт вовсе не новинка, а новая технология производства полупроводниковых приборов. Применение полученных таким образом полупроводников должно получить очень большое распространение в широком круге производств: сенсорные экраны, светодиоды, солнечные батареи, мощных холодных компьютеров, трехмерных микросхем, и т.д.

Подводя итог, можно более смело говорить о том, что появилась новая технология способная сделать значительный качественный скачок к более совершенной электронной продукции, имеющей большой потенциал возможностей, с уже хорошо видной перспективой снижения нагрузки на окружающую среду.

Списоклитературы

LaPedus M. Down year seen for fab-tool makers in 08. www.eetimes.com/showArticle.jhtml?articleID=202200675

Yario J. 2005 Top Fab: IBM. Semiconductor International, 12.01.2005.

LaPedus M. IBM, partners tip 32-nm pact. - www.eetimes.com/showArticle.jhtml;jsessionid=QJTTYLFERXF5QQSNDLOSKH0CJUNN2JVN?articleID=199701185

LaPedus M. Costs cast ICs into Darwinian struggle. -www.eetimes.com/news/semi/showArticle.jhtml;jsessionid=01BZ1Y512D0YUQSNDLOSKH0CJUNN2JVN?articleID=198701495