Конструкторско-технологическая иерархия ЭВС

Конструктивы, рассчитанные на современную работу в ЭВС, отличаются по функциональным, физическим, конструкторско-технологическим признакам и типам связи. Одно из важнейших свойств конструкции ЭВС – возможность ее многократного повторения в условиях производства.

Для облегчения, удешевления, возможности автоматизации разработки и производства, а также оперативности ремонта, современные ЭВС разрабатываются и изготовляются по функционально-модульному принципу. Суть этого принципа состоит в объединении функционально и конструктивно законченных простых единиц ЭУ в более сложные конструктивы. Таким образом, существует конструкторско-технологическая иерархия (последовательное объединение простых объектов (модулей низкого уровня) в более сложные (модули более высокого уровня)). С точки зрения производства – это позволяет одновременно, т.е. параллельно изготавливать модули различного уровня, осуществлять их контроль, замену при ремонте и т.д. Кроме того, модульный принцип позволяет создать определенные удобства и при эксплуатации ЭВС.

Типовые конструкции ЭВС (которые создаются на основе модулей различного уровня и обычно стандартизируются) компонуются по принципу не только входимости модулей низшего уровня в высшие, но и размерно-модульной координации габаритных и присоединительных размеров, что позволяет обеспечить совместимость конструктивов и оптимизировать их композицию.

Исходные неделимые конструктивы – ИС, БИС, функциональные компоненты, активные и пассивные ЭРК, печатные платы и другие различные детали составляют нулевой уровень конструкторско-технологической сложности, т.е. – это модули нулевого уровня. В процессе создания аппаратуры их объединяют в более сложные конструктивы, например, ячейки, узлы, кассеты, то есть в модули первого уровня.

Электронные ячейки предназначены для реализации функций передачи, приема, преобразования или хранения информации, или выполнения математических операций. Ячейки выполняются на основе несущей конструкции, которой обычно является печатная плата (ПП).

Ячейки, выполняемые на основе базовой несущей конструкции, представляют собой конструктивно и функционально взаимозаменяемые сборочные единицы, то есть типовые элементы замены (ТЭЗ), не имеющие самостоятельного применения и входящие в модули более высокого уровня.

Модули второго уровня конструкторско-технологической сложности представляют собой электронные блоки, которые также являются конструктивно и функционально законченными конструктивами (сборочными единицами). Блоки объединяют ячейки механически и обеспечивают электрическую связь ячеек между собой. Несущие конструкции модулей второго уровня могут быть выполнены в виде панелей, рам, корпусов блоков и др., которые могут быть базовыми НК. Таким образом, электронным блоком называется модуль второго уровня, выполненный на основе модуля (или модулей) первого уровня. Модули второго уровня часто не имеют самостоятельного применения и используются в составе модулей более высокого уровня, например многоблочной ЭВМ (см. рис. 2.).

Модули третьего и четвертого уровней конструкторско-технологической сложности ЭВС представляют собой совокупность блоков и ячеек и, в отличие от предыдущих уровней, предназначаются для самостоятельного применения. Несущие конструкции модулей третьего и четвертого уровней могут выполняться в виде рам, каркасов, стеллажей, шкафов, стоек, пультов и т.д., и называются соответственно комплексами либо системами. Блоки, размещаемые в составе, например, шкафов, а не отдельно, могут (как и ячейки) быть разновидностями ТЭЗ.

Модули четвертого уровня (т.е. системы), в отличие от модулей третьего уровня, могут включать не только механические, но и транспортные средства, источники автономного энергоснабжения и др.

Таким образом, деление ЭВС на конструктивно и функционально законченные единицы лежит в основе процесса их разработки и производства. На этапе производства это сокращает сроки освоения серийного изготовления ЭВС, упрощает сборку, монтаж, снижает требования к квалификации сборщиков и монтажников, снижает стоимость ЭВС (благодаря расширению возможностей автоматизации производства), повышает степень специализации производства. При эксплуатации ЭВС в этом случае повышается эксплуатационная надежность, облегчается обслуживание и улучшается ремонтопригодность аппаратуры.

Поскольку объективной тенденцией совершенствования ЭВС является постоянный рост конструктивной и функциональной сложности (что объясняется расширением круга решаемых задач (см. табл.1. и рис.1.) при одновременном увеличении функциональных связей и численности компонентов, а также повышении требований к эффективности функционирования ЭУ, снижению их материалоемкости и энергопотребления), то постоянно возникают трудности при производстве аппаратуры. Следовательно, основными технологическими задачами производства ЭВС являются: разработка ИС и изделий функциональной МЭ (включая микросистемы) на уровне ячеек и модулей более высокого уровня сложности с высокой степенью интеграции; совершенствование технологии их изготовления; повышение плотности размещения навесных компонентов на ПП и плотности печатного монтажа; совершенствование методов электрического соединения модулей первого, второго и третьего уровней; гибкая автоматизация сборки и электрического монтажа модулей 1…4 уровней; развитие автоматизированных методов, а также средств регулировки аппаратуры сложных ЭС; автоматизация контроля функциональных параметров; создание гибких комплексно-автоматизированных производств, функционирующих совместно с системами автоматизированного проектирования, то есть создание компьютерно-интегрированных технологий и производств на их основе.

Производственный процесс представляет собой совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых на данном предприятии для изготовления или ремонта выпускаемых изделий, в частности ЭВС. В состав производственного процесса входят все действия по изготовлению, сборке, монтажу, контролю качества выпускаемых изделий; хранению и перемещению его деталей, полуфабрикатов и сборочных единиц на всех стадиях изготовления; по организации снабжения и обслуживания рабочих мест, участков и цехов; управлению всеми звеньями производства, а также комплекс мероприятий по технологической подготовке производства.

Технологический процесс (ТП) – это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. В ТП непосредственно участвуют только основные рабочие. Технологические процессы строят по отдельным методам их выполнения (процессы литья, механической и термической обработки, формирования покрытий, сборки, монтажа, контроля, регулировки ЭВС и др.). ТП разделяют на операции.

Технологическая операция – это законченная часть ТП, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте, над одним или несколькими одновременно изготавливаемыми или собираемыми изделиями одним или несколькими рабочими. Условие непрерывности операции означает выполнение предусмотренной ей работы без перехода к другому рабочему месту для выполнения другой работы. Например, подготовка ленточных проводов к монтажу включает в себя мерную резку, удаление изоляции с определенных участков провода и нанесение покрытия на оголенные токоведущие жилы. Приведенный пример показывает, что состав операции устанавливают не только на основе технологических соображений, но и с учетом организационной целесообразности.

Производство сборочных единиц и модулей ЭВС основано на сборке и электрическом монтаже, причем монтаж является более трудоемким. Электромонтажные работы по получению электрических соединений выполняют различными методами: пайкой, сваркой, склеиванием контактолами, накруткой, механическим сочленением и др.

Механическое сочленение (контактирование) в модулях 1…4 уровней осуществляют с помощью электрических соединителей (разъемов), которые являются комплектующими изделиями. Технология их изготовления построена на типовых операциях холодной листовой штамповки, переработки пластмасс, механической и химической обработки.

Производство ферритовых сердечников основано на применении технологии изготовлений деталей различной конфигурации из металлокерамических материалов. Особенность ее заключается в необходимости достижения и обеспечения стабильности магнитных параметров сердечников путем регулирования условий реализации ТП.

Изготовление электромеханических узлов регистрирующей аппаратуры, печатающих устройств, накопителей на подвижных носителях информации осуществляют с помощью традиционных методов механической обработки и сборки.

Производство полупроводниковых ИС с диффузионно- и эпитаксиально-планарными структурами базируется на интегральной технологии, основными принципами которой являются: технологическая совместимость элементов схемы, групповая обработка, универсальность процессов (например, диффузии, ионного легирования, эпитаксии, пассивации и др.), унификация пластин и заготовок.

Создание гибридных тонкоплёночных ИС и микросборок основано на ТП вакуумного термического испарения материалов, либо их распыления в вакууме (с помощью, например, ионной бомбардировки) с последующим осаждением на подложки. Производство толстоплёночных (толщиной более 1 мкм) ИС и микросборок основано на получении плёночных элементов методом сеткографической (или трафаретной) печати, т.е. путём продавливания паст, содержащих смеси мелкодисперсных порошков соответствующих материалов (резистивных, диэлектрических, или проводящих) через сетчатый трафарет с последующей сушкой, вжиганием и подгонкой толстоплёночных элементов.

При разработке ТП необходимо учитывать принцип совмещения технических, экономических и организационных задач, решаемых в данных производственных условиях.

В зависимости от номенклатуры, регулярности, стабильности и объёма выпуска изделий современное производство подразделяется на различные типы: единичное, серийное и массовое.

Единичное производство характеризуется широтой номенклатуры и малым объёмом выпуска изделий. При этом под объёмом выпуска подразумевается количество изделий определённых наименований, типоразмера и исполнения, изготавливаемых предприятием или его подразделениями в течение планируемого интервала времени.

На предприятиях единичного производства количество выпускаемых изделий и размеры партий заготовок и сборочных единиц, поступающих на рабочее место для выполнения технологической операции, исчисляются штуками и десятками штук; на рабочих местах выполняются разнообразные технологические операции, повторяющиеся нерегулярно или неповторяющиеся совсем; используется универсальное точное оборудование; стандартные инструменты и приспособления применяются редко; взаимозаменяемость деталей и узлов во многих случаях отсутствует, широко распространена пригонка деталей или узлов по месту; квалификация рабочих очень высокая, так как от нее в значительной мере зависит качество выпускаемой продукции; низкий уровень механизации и автоматизации ТП; высокая стоимость аппаратуры. Коэффициент закрепления операций (характеризующий количество ТО, выполняемых на 1 рабочем месте, т.е. определяемый отношением суммы ТО в конкретном ТП к количеству рабочих мест) для единичного производства составляет более 40.

Для единичного производства изготавливают и используют минимальное количество конструкторской и технологической документации (соответственно КД и ТД).

Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим объёмом выпуска изделий, непрерывно изготавливаемых в течение продолжительного времени.

Коэффициент закрепления операций для массового производства равен 1, т.е. на каждом рабочем месте закрепляется выполнение одной постоянно повторяющейся операции. При этом используется простое стандартное высокопроизводительное оборудование, которое расставляется по поточному признаку (т.е. по ходу технологического процесса) и во многих случаях связывается транспортирующими устройствами и конвейерами с постами промежуточного автоматического контроля, а также промежуточными складами – накопителями деталей и сборочных единиц, снабженными роботами-манипуляторами; широко применяются автоматические линии и автоматизированные производственные системы, управляемые от ЭВМ.

Требуемая точность достигается методами автоматического получения размеров на настроенных станках при обеспечении взаимозаменяемости обратываемых заготовок и собираемых узлов. Только в отдельных случаях применяется селективная сборка, обеспечивающая групповую взаимозаменяемость.

Средняя квалификация рабочих в современном массовом производстве ниже, чем в единичном, так как на настроенных станках и другом автоматическом оборудовании могут работать рабочие-операторы сравнительно низкой квалификации.

Для массового производства изготавливают и используют полный комплект КД и ТД с максимальным применением документации типовых и (или) групповых ТП.

Типовой ТП характеризуется единством содержания и последовательности большинства ТО и переходов для изготовления или ремонта групп изделий с общими конструктивными признаками. Типовой ТП, как правило, всегда хорошо отработан и обычно стандартизирован. Например, тонкопленочные гибридные микросборки различного функционального назначения могут изготавливаться по ТД на типовой ТП, если это указано в данной ТД. К одному типу объектов производства относят конструктивы, для которых можно разработать один ТП.

Групповой ТП предназначен для совместного (одновременного) изготовления или ремонта групп объектов производства с общими технологическими признаками, но разными конструктивными и функциональными признаками. Например, химическая обработка полупроводниковых пластин, плат; фотолитография в производстве разных полупроводниковых БИС; металлизация изготавливаемых по одной технологии печатных плат разного назначения, разных размеров и с разным рисунком топологических элементов и др.

Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых периодически повторяющимися партиями и средним объемом выпуска. В зависимости от количества изделий в партии или серии и значения коэффициента закрепления операций различают мелко-, средне- и крупносерийное производство (коэффициент закрепления операций соответственно составляет 20…40, 10…20, 1…10).

Объем выпуска продукции предприятий серийного типа колеблется от десятков до тысяч регулярно повторяющихся изделий. При этом в производстве используются универсальное и стандартное оборудование. Оборудование расставляется по технологическим группам с учетом направления основных грузопотоков цеха по предметно-замкнутым участкам. Технологическая оснастка в основном универсальная, однако во многих случаях (особенно в крупносерийном производстве) используется стандартная высокопроизводительная оснастка, необходимость в которой должна быть обоснована технико-экономическим расчетом.

Требуемая точность достигается как методами автоматического получения размеров, так и методами пробных ходов и промеров с частичным применением разметки. Средняя квалификация рабочих выше, чем в массовом производстве, но ниже, чем в единичном, так как наряду с рабочими высокой квалификации, работающими на сложном универсальном оборудовании и наладчиками, используются рабочие-операторы, работающие на настроенных станках. В зависимости от объема выпуска и особенности изделий обеспечивается полная взаимозаменяемость, неполная, групповая взаимозаменяемость сборочных единиц, однако в ряде случаев на сборке применяется компенсация размеров и пригонка по месту.

Для серийного производства разрабатывают и используют ограниченное количество КД и ТД.

В зависимости от размеров партий выпускаемых изделий характер технологической подготовки производства (ТПП) для серийного выпуска изделий может изменяться в широких пределах, приближаясь к процессам массового (в крупносерийном) или единичного (в мелкосерийном) типа производства. Правильное определение характера проектируемого ТП и степени его технической оснащенности, наиболее рациональных для данных условий конкретного серийного производства, является очень сложной задачей, требующей от технолога понимания реальной производственной обстановки, ближайших перспектив развития предприятия и умения проводить серьезные технико-экономические расчеты и анализы.

Технологическая подготовка производства ЭВС должна содержать оптимальные решения не только задач обеспечения технологичности изделия, проектирования и становления производства, но и проведения изменений в системе производства, обусловленных последующим улучшением технологичности и повышением эффективности изделий. Поэтому современная ТПП сложных ЭУ должна быть автоматизированной и рассматриваться как органический (интегрированный) комплекс разных САПР, или единая система автоматизации проектных, конструкторских и технологических разработок.

Контрольные вопросы:

1. В чем состоит принцип функционально-модульного конструирования и конструкторско-технологического исполнения ЭВС? Поясните его преимущества для разработки и производства ЭВС.

2. По каким признакам различают функциональные уровни сложности ЭВС? Приведите примеры ФУ, ЭК, ЭС и др.

Охарактеризуйте модули нулевого и первого уровней. Что представляют собой НК и базовые НК, и каковы их функции?

3. Дайте характеристику модулям второго, третьего и четвертого уровней. Назовите НК и базовые НК в их составе.

4. Сформулируйте технологические задачи производства ЭВС и поясните необходимость их решения.

5. Дайте определение производственного и технологического процессов. Охарактеризуйте их отличия.

6. Что собой представляют: ТО, установ, позиция, переход и прием? Приведите примеры.

7. Назовите технологические особенности производств конструктивов различного уровня.

8. Охарактеризуйте единичное производство.

9. Приведите полную характеристику серийного производства.

10. Чем характеризуется массовое производство?

11. Дайте определения и поясните на примерах сущность типовых и групповых ТП.

12. Что собой представляет ТПП? Каково назначение ТПП?

13. Какие ЭУ можно называть высокотехнологичными?

14. Какие задачи решает ТПП? Какова роль САПР в решении этих задач?

.