1. Полупроводниковые интегральные микросхемы 2. Гибридные интегральные микросхемы 3. Основные операции в производстве интегральных микросхем 4. Базовые технологические маршруты изготовления интегральных микросхем 5. Цели и задачи конструирования 6. Конструкторская документация 7. Конструирование ячеек ЭВМ 2

8. Технология изготовления печатных плат 9. Конструкции блоков ЭВМ 10. Электрический монтаж в ЭВМ 11. Показатели надежности ЭВМ 12. Расчет надежности ЭВМ 13. Обеспечение нормальных тепловых режимов ЭВМ 14. Основы обеспечения помехоустойчивости ЭВС 15. Помехи во взаимодействующих линиях связи ЭВМ 16. Основы защиты конструкций ЭВС от механических воздействий 17. Тенденции развития конструкторско- технологического обеспечения производства ЭВМ 3

4 1.1 Классификация ИМС по конструкторско- технологическому исполнению 1.2 Конструкции элементов полупроводниковых ИМС 1.3 Конструктивно-технологические варианты межэлементной изоляции 1.4 Системы коммутации в полупроводниковых ИМС

Все интегральные микросхемы (ИС) можно классифицировать по конструктивно-технологическим признакам, функциональному назначению, структуре базового элемента и др. По характеру обработки электрического сигнала ИС делятся на два больших класса: логические (цифровые) и линейные (аналоговые). По конструктивно- технологическим признакам все ИС можно разделить на три группы: 1 - полупроводниковые и совмещенные ИС (ППИС); 2 - гибридные ИС (ГИС); 3 - пленочные и прочие ИС (к ним также относят вакуумные и керамические ИС). 5

Полупроводниковые микросхемы Полупроводниковые ИС - это ИС, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводникового кристалла. 6

Полупроводниковые микросхемы 7

Пленочные микросхемы 8 Пленочная ИС - это схема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке (при этом элементы преимущественно изготовлены методами вакуумного нанесения). Толстопленочная ИС - это схема с толщиной пленок мкм, элементы которой изготавливаются методами трафаретной печати (сеткография). Различия между тонко- и толстопленочными ИС может быть количественным и качественным. К тонкопленочным ИС относят ИС с толщиной пленок < 1 мкм, к толстопленочным ИС - ИС с толщиной пленок мкм.

Пленочные микросхемы 9

Гибридные микросхемы 10 ГИС - это ИС, часть элементов которой (обычно пассивные) выполнены в виде пленок (1-2 мкм - тонкопленочная, мкм - толстопленочная), а другая часть - в виде кристаллов полупроводниковых ИС или микроминиатюрных ЭРЭ, расположенных на диэлектрической подложке и электрически связанных между собой пленочными межэлементными соединениями.

Гибридные микросхемы 11

Все ИС разделяются по степени интеграции. Степень интеграции ИС - показатель степени сложности микросхемы, характеризуемый числом содержащихся в ней элементов и компонентов. Кроме степени интеграции (показатель К) используется термин плотности упаковки ИС, который определяет отношение числа элементов и компонентов ИС к ее объему (объем выводов не учитывается). 12

K=lgN K-степень интеграции N-число элементов и компонентов в схеме По степени интеграции различают: малые интегральные схемы (до 100 элементов) средние интегральные схемы (от 100 до 1000 элементов) большие интегральные схемы (от 10 3 до 10 4 элементов) сверх большие интегральные схемы (от 10 5 элементов) 13

Интегральный диод 14

Интегральные транзисторы а) Структура планарно-эпитаксиального биполярного транзистора n + -p-n типа со скрытым под коллекторным слоем 15

Интегральные транзисторы б) Структура планарно-эпитаксиального биполярного транзистора n + -p-n типа со скрытым под коллекторным слоем 16

Интегральные транзисторы в) Структура горизонтального транзистора p-n-p типа 17

Интегральные транзисторы г) Структура дрейфового бокового транзистора p-n-p типа 18

Интегральные транзисторы д) Структура вертикального транзистора p-n-p типа 19

Диод Шоттки 20

Интегральные резисторы а) Резистор на основе базовой диффузии 21

Интегральные резисторы б) Высокоомный резистор 22

Интегральные конденсаторы а) Диффузионный конденсатор 23

Интегральные конденсаторы б) МДП конденсатор 24

КМДП структура 25

Межэлементная изоляция обратно смещенным p-n-переходом 26

Изоляция диэлектриком а) кремний в диэлектрике б) кремний на диэлектрике 27

Комбинированная изоляция 28

Конструкции пленочных элементов 2.2 Компоненты гибридных ИМС 2.3 Коммутация в гибридных ИМС

30 Сопротивление резистора -

Подгонка пленочных резисторов а) ступенчатая б) плавная 31

Пленочные конденсаторы 32 с активной площадью перекрытия обкладок S>5 мм 2; с S = 1– 5 мм 2

33 Пленочные индуктивности а) в виде круглой спирали б) в виде прямоугольной спирали

Разновидности выводов компонентов а) транзистор с гибкими выводами 34

Разновидности выводов компонентов б) транзистор с жесткими выводами 35

Разновидности выводов компонентов в) микросхема с шариковыми выводами 36

Разновидности выводов компонентов г) микросхема со столбиковыми выводами 37

Методы получения пленок 3.2 Методы введения примесей в полупроводниковые кристаллы 3.3 Методы формирования топологического рисунка микросхем

Термическое окисление кремния Осаждение пленок из парогазовой фазы Термическое вакуумное напыление тонких пленок Методы ионного распыления Методы получения толстых пленок

Способы термического окисления кремния а) окисление кремния в сухом кислороде 40

Способы термического окисления кремния б) нагревание пластинки кремния в парах воды 41

Рабочая камера установки для термического вакуумного распыления 42

Рабочая камера установки для катодного распыления 43

Рабочая камера установки для ионно- плазменного распыления 44

Бесконтактный метод формирования толстых пленок (трафаретная печать) 45

Контактный метод формирования толстых пленок 46

Диффузия Ионное легирование Легирование в процессе наращивания эпитаксиальной пленки

Распределение примеси при диффузии из неограниченного источника 48 Время диффузии t3 > t2 > t1 глубина

Распределение примеси при диффузии из ограниченного источника 49 Время диффузии t3 > t2 > t1

50 1 верхнее стекло; 2 металлическое корытце с метиловым спиртом 9; 3 стеклянный цилиндр (боковая поверхность камеры); 4 металлическое дно камеры, охлаждаемой твёрдой углекислотой 5; 6 поршень из термоизолирующего материала; 7 сжатая пружина; 8 параболическое зеркало; 10 фотоаппарат; 11 металлическое кольцо с редкой сеткой из тонкой проволоки для создания очищающего от ионов электрического поля; S источник света. Схема диффузионной камеры

График распределения примесей с учетом каналирования I – область, в которой распределение имеет такой же вид, как и в аморфной мишени II – область деканалирования III – область распределения атомов, создаваемого каналированием 51

Схема установки для ионного легирования 52 1 – источник ионов 2 – ионный ускоритель 3 – магнитный сепаратор 4 – система сканирования пучком ионов 5 – мишень

Виды эпитаксии: Автоэпитаксия (гомоэпитаксия) – слой и подложка не отличаются по химическому составу Гетероэпитаксия – слой отличается по химическому составу от вещества подложки и не образует с ней химических соединений Хемоэпитаксия – эпитаксиальный слой представляет собой химическое соединение осаждаемого вещества и слоя подложки 53

Классификация методов Основные операции фотолитографии Электронолитография, рентгенолитография, ионолитография

1) Метод свободной маски 2) Метод контактной пленки 3) Локальная обработка без масок 55

Метод свободной маски 56

57 Метод контактной маски Виды литографии: Фотолитография (оптическая литография) - длина волны от 250 до 440 нм Рентгенолитография - длина волны от 0.5 до 2 нм Электронолитография- длина волны от 0.05 нм Ионолитография- длина волны от 0.05 до 0.1 нм

58 Локальная обработка без масок Конфигурацию элементов получают с помощью остросфокусированных лазерного или электронного лучей, которые путем испарения локально удаляют участки в слое

Фотошаблон 59

1. Подготовка поверхности подложки 2. Нанесение фоторезиста 60

3. Сушка 4. Совмещение и экспонирование 61

5. Проявление 6. Термическая обработка 62

7. Т равление пленки SiO 2 8. У даление фоторезистивной маски 63

Фотолитография с использованием дальнего ультрафиолета(Extreme Ultra Violet lithography - EUV) Иммерсионная фотолитография Проекционная фотолитография «Двойная» фотолитография Фотолитография с подслоем Негативно-позитивная фотолитография Взрывная фотолитография 64

Планарно-эпитаксиальная технология 4.2 МДП - технология

1. Подготовка поверхности 66

2. Термическое окисление кремния 67

3. Фотолитография 68

4. Диффузия примеси n+-типа 69

5. Удаление оксидной пленки 70

6. Эпитаксиальное наращивание кремния n-типа 71

7. Термическое окисление кремния 72

8. Фотолитография 73

9. Диффузия примесей p-типа 74

10. Фотолитография 75

11. Диффузия примеси p-типа 76

12. Осаждение оксидной пленки 77

13. Фотолитография 78

14. Диффузия примеси n-типа 79

15. Осаждение оксидной пленки 80

16. Фотолитография 81

17. Нанесение пленки металла 82

18. Фотолитография по металлической пленке 83

84

1. Окисление кремниевой пластины n-типа 85

2. Фотолитография для снятия окисла 86

3. Ионное внедрение бора во вскрытые области 87

4. Фотолитография 88

5. Формирование подзатворного диэлектрика окислением в сухом кислороде. 89

6. Нанесение пленки поликристаллического кремния из газовой фазы 90

7. Дифузионное легирование фосфором, фотолитография 91

8. Ионное легирование и разгонка фосфора 92

9. Нанесение межслойной изоляции 93

10. Фотолитография 94

11. Напыление пленки алюминия 95

Основные этапы проектирования и производства ЭВМ 5.2 Показатели качества ЭВМ 5.3 Условия эксплуатации и воздействующие факторы

97

Конструкторское проектирование 98 Исходные данные ПроцессРезультаты схема электрическая структурная; схема электрическая функциональная; схема электрическая принципиальная; показатели качества; условия эксплуатации; условия производства; выбор формы изделия, компоновки; выбор механического соединения деталей; обеспечение нормального теплового режима; обеспечение требуемой надежности и помехоустойчивости. Подкрепляется соответствующими расчетами конструкторская документация на бумажном или электронном носителе; управляющая программа для электронного оборудования.

1. Показатели назначения: быстродействие, производительность, объем памяти и др. 2.Конструктивные: точность компоновки ( ), коэффициент дезинтеграции 3. Эргономические показатели: - гигиенические - антропометрические - физиологические - психологические 4. Показатели надежности: безотказность, ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость 99

5. Показатели технологичности 6. Эстетические 7. Патентно-правовые 8. Показатели транспортабельности 9. Экологические 10. Показатели безопасности 100

Основные принципы конструирования ЭВМ. Элементная база ЭВМ 6.2 Стадии конструирования ЭВМ 6.3 ЕСКД. Виды конструкторской документации

Уровни конструкторской иерархии ЭВМ 0 – микросхема 1 – ячейка 2 – блок 3 – стойка, тумба, шкаф 4 – ЭВМ 102

103

Конструкции ячеек ЭВМ 7.2 Типы и классы точности печатных плат 7.3 Основные этапы конструирования печатных плат

Каркас Монтажная (печатная) плата Установленные на плате микросхемы и другие компоненты Элементы внутренней электрической коммутации (печатные проводники) Элементы внешней коммутации Лицевая панель с элементами индикации и контроля 105

Типы печатных плат Односторонние печатные платы (ОПП) Двусторонние печатные платы (ДПП) Многослойные печатные платы (МПП) Гибкие печатные платы (ГПП) Рельефные печатные платы (РПП) 106

1. Односторонные печатные платы 2. Двусторонние печатные платы 107

3. Многослойные печатные платы 1 – сквозное металлизированное отверстие 2 – скрытое металлизированное отверстие 3 – глухой переход 4 – микропереход 5 – скрытый микропереход 108

4. Гибкие печатные платы Подразделяются на : Односторонние ГПП (ОГПП) ОГПП с двухсторонними контактными площадками Двухсторонние ГПП Многослойные ГПП Жестко-гибкие ПП 109

5. Рельефные печатные платы Проводники выполнены в виде металлизированных канавок. Отверстия имеют вид двух сходящихся конусов. Канавки и отверстия заполнены припоем 110

Классы точности печатных плат (ГОСТ) 111 Параметр печатного монтажа Класс точности Минимальная ширина проводника (мм) Минимальное расстояние между элементами печатного монтажа (мм)

1. Изучение ТЗ на изделие, в состав которого входит ПП 2. Определение условий эксплуатации и группы жесткости ПП 3. Выбор типа ПП 4. Выбор класса точности ПП 5. Выбор конфигурации ПП 6. Выбор размеров ПП 112

7. Выбор материала основания ПП 8. Выбор конструктивного покрытия 9. Размещение компонентов на ПП. Трассировка печатных проводников 10. Выбор метода маркировки и ее расположения 11. Разработка конструкторской документации 113

Методы формирования рисунков печатных проводников 8.2 Методы изготовления одно- и двухсторонних печатных плат 8.3 Методы изготовления многослойных печатных плат

1. Сеткографический метод 2. Фотографический метод – фотолитография (пленочный фоторезист) 115

Этапы формирования рисунка печатных проводников методом фотолитографии 1. Нагрев заготовки 2. Накатывание пленочного фоторезиста на нагретую заготовку (ламинирование) 116

Этапы формирования рисунков печатных проводников фотографическим методом 3. Экспонирование (облучение) 4. Проявление 117

Этапы формирования рисунков печатных проводников фотографическим методом 5,6) Термообработка, травление незащищенных участков меди 7) Удаление фоторезистивной маски 118

Разновидности субтрактивных методов 1. Химический метод Нанесение маски из фоторезиста Недостатки: - - большой расход электролитической меди - отсутствие возможности получения металлизированных отверстий - боковое подтравливание 2. Механическое формирование зазоров 3. Лазерное гравирование 119

Разновидности аддитивных методов 1. А ддитивный метод 2. Фотоаддитивный процесс 3. Нанесение токопроводящих красок или паст 120

Разновидности комбинированных методов 1) Комбинированный негативный метод 2) Комбинированный позитивный метод 121

1. Метод металлизации отверстий препреги 122

2. Метод попарного прессования 123

3. Метод послойного наращивания 124

4. Метод открытых контактных площадок 125

Геометрическая компоновка блоков 9.2 Типовые конструкции блоков

127 Процессор и система охлаждения Блок питания Оперативная память Жесткий диск Видеокарта Материнская плата Отсек для установки DVD/CD привода Отсек для установки Floppy дисковода Шлейф Sata

128 Блок питания Материнская плата Жесткий диск SATA DVD-ROM Floopy дисковод IDE шлейф

129 Оперативная память Процессор Cooler Видеокарта SATAшлейф

Способы электрического контактирования Методы электрического монтажа

1 - Центральный силовой элемент – стеклопластиковый пруток производства фирмы Cousin (Франция). 2 - Оптические модули изготавливаются на основе полибутилентерефталата (ПБТ) производства фирмы EMS Chemie AG (Швейцария) или фирмы BASF (Германия). 3 - Оптическое волокно высшей категории качества SM.10/ UV производства фирмы Fujikura (Япония). Рекомендация G В кабеле используются гидрофобные заполнители производства фирмы British Petroleum (Франция). 5 - Бандажная лента на основе полиэтилентерефталата производства фирмы Dupont (США). 6,8 - Внутреняя и внешняя оболочка изготавливаются из полиэтилена производства фирмы Borealis (Финляндия). 7 - Арамидные нити Kevlar производства фирмы Dupont (США). В зависимости от конструкции арамидные нити могут отсутствовать. 131

1 - Центральный силовой элемент – стеклопластиковый пруток производства фирмы Cousin (Франция). 2 - Оптическое волокно высшей категории качества SM.10/ UV производства фирмы Fujikura (Япония). 3 - Оптические модули изготовлены на основе полибутелентерефталата (ПБТ) производства фирмы BASF (Германия). 4 - Заполняющий кордель. 5 - По желанию заказчика в конструкцию может быть добавлена алюминиевая лента с полимерным покрытием. 6,9, 11 - Оболочки изготавливаются из полиэтилена производства фирмы Borealis (Финляндия). 7 - В кабеле используются гидрофобные заполнители Naptel 851 и Naptel OP308 производства фирмы British Petroleum (Франция). 8,10 - Кабель армирован двумя сплошными обмотками из оцинкованной стальной проволоки производства Череповецкого сталепрокатного завода (Россия). 132

1 - Оптическое волокно высшей категории качест-ва SM.10/ UV производства фирмы Fujikura (Япония). 2 - Высокопрочные арамидные нити Kevlar производства фирмы Dupont (США). 3 - Оболочка оптического модуля из поливинилхлоридного пластиката. 4 - Центральный силовой элемент - стальной трос. 5,7 - Промежуточная и внешняя оболочки кабеля изготавливаются из поливинилхлоридного пластиката, не распространяющего горение (кабель ОКВО-М… сертифицирован Государственной Противопожарной Службой МВД РФ за ). 6 - Броня-оплетка стальными оцинкованными проволоками диаметром 0,25 мм. 133

1 - Оптическое волокно высшей категории качества SM.10/ UV производства фирмы Fujikura (Япония). 2, 4 - В кабеле используются гидрофобные заполнители Naptel 851 и Naptel OP308 производства фирмы British Petroleum (Франция). 3 - Центральный силовой элемент – стальной трос (ОКСТМ-xx-02-…) либо стеклопластиковый пруток (ОКСТМ-xx-01-…) производства фирмы Cousin (Франция). 5,8 - Промежуточная и внешняя оболочки изготавливаются из полиэтилена. Возможно изготовление кабеля из полиэтилена, не распространяющего горение. (Кабель ОКСТМН-… сертифицирован Государственной Противопожарной службой МВД РФ). 6 - Кабель имеет продольную гидроизоляцию бронирующего слоя (между внутренней полиэтиленовой оболочкой и стальной ламинированной лентой вводится гидрофобный заполнитель). 7 - Кабель защищен от грызунов гофрированной стальной лентой, имеющей двустороннее полимерное покрытие, производства Dow Chemicals (США). 9 - Оптические модули могут быть изготовлены как на основе полиэтилена, так и на основе полибутилентерефталата (ПБТ) производства фирмы EMS Chemie AG (Швейцария) или фирмы BASF (Германия). 134

1 - Оптическое волокно высшей категории качества SM.10/ UV производства фирмы Fujikura (Япония). 2,4 - В кабеле используются гидрофобные заполнители Naptel 851 и Naptel OP308 производства фирмы British Petroleum (Великобритания). 3 - Центральный силовой элемент – стальной трос (ОМЗКГМ-xx-02- …) либо стеклопластиковый пруток (ОМЗКГМ-xx-01-…) производства фирмы Cousin (Франция). 5,8 - Промежуточная и внешняя оболочки изготавливаются из полиэтилена. Возможно изготовление кабеля из полиэтилена, не распространяющего горение. (Кабель ОМЗКГМН-… сертифицирован Государственной Противопожарной службой МВД РФ). 6 - Кабель армирован сплошной обмоткой из оцинкованной стальной проволоки диам. 1,8 мм. производства Череповецкого сталепрокатного завода (Россия). 7 - Кабель имеет продольную гидроизоляцию бронирующего слоя (между внутренней полиэтиленовой оболочкой и стальным бронепокровом вводится гидрофобный заполнитель). 9 - Оптические модули могут быть изготовлены как на основе полиэтилена (ПЭ), так и на основе полибутелентерефталата 135

1 - Оптическое волокно высшей категории качества SM.10/ UV производства фирмы Fujikura (Япония). 2,4 - В кабеле используются гидрофобные заполнители Naptel 851 и Naptel OP308 производства фирмы British Petroleum (Великобритания). 3 - Центральный силовой элемент – стеклопластиковый пруток (ОК/Т-М6П…) производства фирмы Cousin (Франция). 5 - Внешняя оболочки изготавливаются из полиэтилена Borealis (Финляндия) Внешний силовой элемент: стальной трос (ОК/Т). Кабель имеет продольную гидроизоляцию бронирующего слоя (между внутренней полиэтиленовой оболочкой и стальной ламинированной лентой вводится гидрофобный заполнитель). 7 - Оптические модули изготовлены на основе полибутилентерефталата (ПБТ) производства фирмы EMS Chemie AG (Швейцария) или фирмы BASF (Германия). 136

Основные понятия и определения 11.2 Показатели безотказности 11.3 Показатели ремонтопригодности 11.4 Комплексные показатели надежности

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значение всех параметров и характеристик, способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортировки; Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течении некоторого времени или некоторой наработки; Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта; 138

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта; Сохраняемость – свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности до и после хранения и/или транспортировки; Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и конструкторской документации; 139

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданную функцию, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации; Неработоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующих способность объекта выполнять заданную функцию, не соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации; Повреждение – событие, переводящее устройство из исправного состояния в неисправное, но при этом устройство остается работоспособным; 140

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта; Ремонтируемый объект – объект, для которого проведение ремонтов предусмотрено в нормативно-технической и конструкторской документации; Наработка – продолжительность работы объекта 141

Классификация отказов Внезапные – результат мгновенного скачкообразного изменения одного или нескольких параметров; Постепенные – результат постепенного изменения параметров элементов до тех пор, пока значение хотя бы одного из них не выйдет за допустимые пределы; 142

Классификация отказов 143

Сбой – однократно возникающий самоустраняющийся отказ изделия; Перемежающийся отказ – многократно возникающий самоустраняющийся отказ изделия одного и того же характера; Срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации объекта (или ее возобновления после ремонта определенного вида) до перехода в предельное состояние; Технический ресурс – наработка объекта от начала его эксплуатации (или ее возобновления после ремонта определенного вида) до перехода в предельное состояние. 144

145 Показатели, характеризующие одно свойство надежности, называются единичными Показатели, характеризующие два и более свойств надежности, называются комплексными

1. Вероятность безотказной работы- вероятность того, что в течение заданного времени не произойдет отказа изделия T- время безотказной работы, где N – число изделий в партии, N t – число изделий, исправных к моменту времени t f(t) – плотность распределения наработки до отказа 146

2. Вероятность отказа – вероятность того, что в течение заданного времени произойдет отказ изделия, где n – число отказавших изделий, где f(t) – плотность распределения времени наработки до отказа 147

3. Средняя наработка до отказа – математическое ожидание времени работы изделия до первого отказа Статистическое определение :, где ti – время работы i-го изделия до первого отказа 148

4. Интенсивность отказов – условная плотность вероятности возникновения отказа невосстанавливаемого объекта, определяемая для рассматриваемого момента времени при условии, что до этого момента отказ не возник - количество отказавших изделий в интервале времени - количество изделий, исправных к моменту времени t 149

I– период приработки II – период нормальной эксплуатации изделия III – период старения и износа При 150

5. Средняя наработка на отказ – математическое ожидание времени работы изделия между отказами, где ti – время работы изделия между i и i+1 отказами n – количество отказов 151 восстановление

6. Параметр потока отказов – плотность вероятности возникновения отказов в данный момент времени N – число изделий, наблюдаемых на промежутке времени – число отказов изделий с учетом отказов после восстановления Поток событий – такая последовательность событий, которые происходят одно за другим в случайные моменты времени 152

Простейший поток событий – поток, обладающий свойствами ординарности, стационарности и отсутствия последствий Стационарный поток – такой поток, в котором вероятность появления некоторого количества событий в интервале времени dt зависит только от ширины этого интервала и не зависит от положения его на оси времени Ординарный поток – такой поток, в котором вероятность появления одного события в малом интервале времени значительно больше вероятности появления двух или большего числа событий Поток не обладает последствием, если вероятность появления некоторого количества событий в неком интервале времени не зависит от количества событий, которые произошли до этого интервала времени 153

1. Среднее время восстановления – математическое ожидание времени восстановления работоспособного состояния - - статистическое время восстановления, где - время восстановления после i-го отказа 154

2. Вероятность восстановления работоспособного состояния – вероятность того, что время восстановления работоспособного состояния не превышает заданного - 155

1. Коэффициент готовности – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается - 156

2. Коэффициент оперативной готовности – вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается и, начиная с этого времени, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени - 157

3. Коэффициент технического использования – это отношение математического ожидания времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к сумме математических ожиданий времени пребывания объекта в работоспособном состоянии, состоянии простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтов за тот же период времени - 158

Надежность типовых элементов ЭВМ 12.2 Расчет надежности при внезапных отказах 12.3 Математические модели надежности при структурном резервированиии 12.4 Методика расчета надежности при постепенных отказах

Чаще всего для оценки надежности элементной базы используется интенсивность отказов … /ч λ э = λ о * k 1 * k 2 * … * k m λ э - экспериментальная интенсивность отказов λ о -интенсивность отказов в нормальных условиях эксплуатации k 1,k 2, …, k m -коэффициенты, учитывающие влияние электрического режима работы, температуры влажности, радиации, ненадежности элементов 160

Электрический режим работы характеризуется коэффициентом нагрузки (K н ) 0,2< K н <0,8-рекомендуется Коэффициент нагрузки для резистора: K Н R =P/P т.у Коэффициент нагрузки для конденсатора: K Н c =U/U т.у 161

При расчете надежности используют структурные схемы надежности. Пример: 162

1. Определяется электрический режим работы элементов и условия эксплуатации 2. Определяется количество элементов каждого типа, работающих в одинаковых условиях 3. Определяется эксплуатационная интенсивность отказов элементов каждого типа 163

4. Определяется интенсивность отказов изделия - количество равнонадежных элементов i-го типа 5. Определяется вероятность безотказной работы 6. Определяется средняя наработка до отказа 164

Методы повышения надежности ЭВС 1. Использование высоконадежной элементной базы 2. Применение облегченных электрических и тепловых режимов элементов 3. Разработка конструкций ЭВС, обеспечивающих защиту элементов от внешних воздействий 4. Применение способов электрического монтажа, обеспечивающих низкую интенсивность отказов электрических соединений 5. Использование резервирования 165

структурное резервирование – резервирование за счет введения дополнительных частей, избыточных по отношению к минимальной функциональной структуре изделия, необходимой для выполнения заданной функции кратность резерва – отношение числа резервных элементов объекта или изделия к числу резервируемых (основных) постоянное резервирование– резервирование без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элементов 166

динамическое резервирование – резервирование с перестройкой структуры объекта в случае возникнове- ния отказа его элементов резервирование замещением – резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному в случае отказа основного элемента скользящее резервирование – резервирование замещением, при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых можно заменить любым оставшимся элементом в этой группе 167

Способы переноса тепловой энергии 13.2 Методика получения тепловых моделей 13.3 Системы охлаждения ЭВМ

169 Нормальный тепловой режим – режим, при котором температура элементов конструкции не превышает допустимые пределы, указанные в технических условиях на элемент - тепловой поток - - -температурный напор = F ij Ф i F ij – термический коэффициент F ij

170 F ij Кондукция (теплопроводность) – передача теплоты в сплошной среде или в контакте двух тел посредством взаимодействия между молекулами одного или соприкосновения тел. В основе аналитической теории теплопроводности лежит закон Фурье :, где: - плотность теплового потока, Вт/ м 2 - коэффициент теплопроводности F ij

171 F ij Конвекция – процесс переноса тепла при перемещении жидкой или газообразной среды из области с одной температурой в область с другой температурой. Естественная конвекция – осуществляется при свободном движении среды за счет разной плотности горячей и холодной областей F ij

172 F ij Теплообмен конвекцией описывается законом Ньютона- Рихмана : - тепловой поток от тела i в среду - коэффициент теплопроводности между поверхностью тела и средой - температура поверхности тела - температура среды - площадь поверхности теплообмена F ij

173 F ij Тепловое сопротивление: - температура среды - коэффициент теплопроводности среды - коэффициент термического расширения - плотность среды - кинематическая вязкость - удельная теплоемкость среды при постоянном давлении - коэффициент, учитывающий влияние формы, размеров тела F ij

174 F ij Критерии конвекции 1. Критерий Нуссельта (Nu) 2. Критерий Грасгофа (Gr) 3. Критерий Прандтля (Pr) F ij

175 F ij Теплообмен излучением По закону Стефана-Больцмана: - показатель преломления среды - степень черноты тела - коэффициент излучение абсолютно черного тела - площадь излучающей поверхности - температура тела F ij

176 F ij Теплообмен излучением Тепловой поток, передаваемый излучением с поверхности тела i с температурой T i и площадью поверхности S i к поверхности тела j : - приведенная степень черноты тела - коэффициент облученности (угловой коэффициент) F ij

Конструкция ЭВМ, состоящая из многих элементов, характеризуется сложным температурным полем. В некоторых случаях для построения тепловой модели используются упрощения. Один из способов упрощения – замена сложной по форме нагретой зоны прямоугольным параллелепипедом 177 Тз – температура нагретой зоны Тв – температура воздуха в корпусе Тк – температура корпуса

Необходимо составить схему тепловых сопротивлений: 178 Обозначения: Ф – тепловой поток З – нагретая зона В- воздух в корпусе К – корпус С – среда к – конвекция т – кондукция л - излучение

179 Найденное значение Тз сравнивается с допустимыми значениями температуры для элементов, заданными в техническом задании для элементов. Если Тз не превышает допустимую температуру, то тепловой режим считается нормальным - тепловая проводимость =>=>

Система охлаждения – совокупность устройств и конструктивных элементов, применяемых для обеспечения нормального теплового режима Системы охлаждения можно разделить на следующие группы: 1. Кондуктивные; 2. Воздушные; 3. Жидкостные; 4. Испарительные; 5. Радиационные; 6. Специальные; 7. Комбинированные. 180

1. Кондуктивные системы охлаждения реализуются в виде теплоотводящих шин, теплопроводящих паст и других кондуктивных элементов 181

2. Воздушные системы охлаждения используют конвективный теплообмен, в качестве теплоносителя используется воздух Естественное воздушное охлаждение возможно при атмосферном давлении не ниже 0.5 атм Разновидности воздушных систем: 1. Свободное воздушное охлаждение 2. Свободная вентиляция 3. Внутреннее перемешивание воздуха в корпусе 4. Принудительная вентиляция 182

2.1 Свободное воздушное охлаждение – естественная конвекция в герметичном корпусе 2.2 Свободная вентиляция – естественная конвекция в негерметичном корпусе 183

2.3 Внутреннее перемешивание воздуха в корпусе – использование вентиляторов в герметичном корпусе 2.4 Принудительная вентиляция – в корпусе делают отверстия, рядом с которыми располагают вентиляторы 184

2 Воздушные системы охлаждения Современные стандарты по конструированию корпусов компьютеров регламентируют и способ построения системы охлаждения. Начиная с систем на базе Intel Pentium II, внедряется технология охлаждения компьютера сквозным воздушным потоком, направленным от передней стенки корпуса к задней (дополнительно воздух для охлаждения всасывается через левую стенку):систем на базе Intel Pentium II

3. Жидкостные системы охлаждения могут быть естественными принудительными а) естественная система б) принудительная система 186

Общая схема жидкостного охлаждения

Наглядная схема на примере CoolingFlow Space2000

4. Испарительные системы охлаждения Элементы нагреваются до температуры кипения испарения рабочей жидкости. При образовании пара имеет место интенсивный теплообмен. Испарительные системы охлаждения могут быть: а) естественными б) принудительными 189

5. Радиационные системы охлаждения – охлаждение излучением. Применяется, когда другие способы охлаждения нельзя использовать (вакуумированные объемы) 190

6. Специальные системы охлаждения Термоэлектрическая труба Тепловые трубы Вихревые трубы и др охладители Тепловая труба 191

7. Комбинированные системы охлаждения Используют различные сочетания рассмотренных выше систем охлаждения Система охлаждения Коэффициент теплоотдачи (Вт/м *м*К ) 1Естественное воздушное охлаждение, охлаждение излучением 2…10 2Принудительное воздушное охлаждение 10…150 3Естественное жидкостное охлаждение 200…600 4Принудительное жидкостное охлаждение 300…3000 5Испарительная система 500…

Термоэлектрические системы охлаждения Это охлаждение термоэлектрическими пластинами, известными, как модули Пельтье. Термоэлектрические пластины, часто называемые тепловыми насосами, сами по себе не охлаждают процессор. Суть эффекта Пельтье, используемого в термоэлектрических модулях, заключается в том, что при пропускании тока через пластину, состоящую из двух полупроводников, на одной её стороне выделяется тепло, а на другой - поглощается. Комплект установки: Блок электроники Кулер процессора Вентилятор размером 70x70x25 мм (дополнительный вентилятор ) Вентилятор размером 80x80x25 мм, светящийся (подключается к блоку контроллераб, из прозрачного пластика ) Инструкция по установке Кабель питания 220В 193

Термоэлектрические системы охлаждения Недостатки: 1. высокая стоимость: кулеры со встроенными термоэлектрическими кулерами стоят в несколько раз дороже аналогов без элементов Пельтье. 2. неудобство крепления отдельной термоэлектрической пластинки на кулер. 3. потребляемая мощность. Элемент Пельтье должен потреблять не меньше мощности, чем охлаждаемый им процессор. 4. термоэлектрические модули нуждаются в охлаждении. Нужно как можно лучше охлаждать горячую сторону элемента Пельтье, чтобы температура на холодной стороне была как можно ниже. 194

Основные понятия и определения 14.2 Искажение сигналов в электромонтажных линиях связи 14.3 Виды электромонтажный линий связи и расчет их электрических параметров

196 Помехи подразделяют на две группы 1. Естественные -космические -солнечные -атмосферные 2. Искусственные или индустриальные -генераторы -линии передачи электроэнергии -оборудование -радиовещание -навигация

Перекрестная помеха 197

Помехоустойчивость цифровых схем Коэффициент статической помехоустойчивости -амплитуда напряжения, характеризующая статическую помехоустойчивость -напряжение логического перепада на входах цифровых схем 198

Для удобства анализа линии связи условно подразделяют на: 1. Электрически длинные - удельная задержка(задержка сигнала в линии длиной 1 м) - геометрическая длина линии Для ненагруженной линии - погонная емкость линии - погонная индуктивность линии - удельная задержка распространения электрической волны в вакууме(3,3 нс/м) - относительная магнитная проницаемость среды где идет волна (почти 1) - эффективность значения относительной диэлектрической проницаемости среды 2. Электрически короткие 199

Часто линия является неоднородной, т.е имеет участки с разным значением волнового сопротивления -волновое сопротивление -собственная индуктивность линии -собственная емкость линии 200

Причины неоднородности волнового сопротивления на длине линии связи 1. Неоднородность диэлектрической проницаемости материала 2. Отклонение геометрических размеров линии по длине 3. Наличие в электромонтажной линии участков различных по конструктивно технологическому исполнению 4. Наличие разветвлений 5. Отличие выходного сопротивления передающей схемы и входного сопротивления принимающей схемы от волнового сопротивления линии 6. Включение нагрузок по длине линни 201

Искажение сигнала конструктивными неоднородностями линии входное напряжение выходное напряжение – согласованная линия несогласованная линия -приведенное время распространения сигнала в линии 202

Емкостная и индуктивная помехи во взаимодействующих линиях связи 15.2 Помехи по цепям управления и питания 15.3 Рекомендации по конструированию линий связи

Паразитные связи: емкостные индуктивные кондуктивные Емкостные и кондуктивные помехи осуществляются через поле, если источник помех отстоит от приемника на расстоянии, меньшем длины волны наиболее высокочастотной составляющей 204

Коэффициент емкостной связи - паразитная емкость - емкость нагрузки 205

Коэффициент индуктивной связи - взаимоиндуктивность - индуктивность линии Коэффициент кондуктивной связи 206

Помехи по цепям питания 207

1. Использование элементной базы повышенной помехоустойчивости 2. Компенсация помех (использованием скрученных пар проводов) 3. Уменьшение числа конструктивно - технологических типов электромонтажных линий 4. Ослабление паразитных связей путем разнесения источников и преемников помех 5. Уменьшение длины участков взаимодействующих линий связи 208

6. Использование материалов с малым значением диэлектрической проницаемости 7. Использование экранирующих слоев в многослойных печатных платах 8. Использование частичного экранирования 9. Увеличение числа точек заземления шин питания 10. Увеличение сечения шин питания

210

211 К настоящему времени уже разработан ряд методик применения нанопроводников в качестве элементов микросхем. Однако на пути внедрения встали два серьёзных препятствия. Первое из них – сложность геометрического расположения нанопроводников на значительных площадях чипов, то есть, проблемы контроля расположения и ориентации нанопроводников относительно друг друга. Сложности возникают как раз при создании надёжных электрических контактов на концах нанопроводников, из-за чего большинство ныне существующих разработок имеют существенные ограничения по практическому применению.

212 В качестве альтернативы существующим технологиям учёные решили применить технику использования материала под названием HSQ (hydrogen silsequioxane, По- русски получается "силсесквиоксан водорода", известного под названием "spin-on glass" (стекло, нанесённое центрифугированием), в качестве изоляционного слоя между подложкой и расположенным над нанопроводом металлическим контактом. Этот материал обладает приемлемыми диэлектрическими характеристиками и позволяет создавать надёжные изолирующие площадки необходимой площади. При этом для переноса "рисунка" схемы на подложку было решено применить также хорошо известный принцип фотолитографии.

213 Структуру получаемых полупроводни- ковых диодов разработчики называют "геомет- рией сэндвича": нанопроводник (n-типа из оксида цинка) размещается между "общей" токопро- водящей подложкой (высоколегированный кремний p-типа) и расположенным сверху металлическим контактом, отделённым от подложки тонким изолирующим слоем стеклянной подложки, предотвращающим возможность возникновения контакта между металлическим проводником и основной токопроводящей подложкой. В качестве подложки исследователи использовали традиционный поликристаллический кремний, а основной сложностью оказалось создание изолирующего слоя, в который "втравлен" нанопровод, но при этом полностью исключён контакт между расположенным сверху металлическим проводником и кремниевой подложкой.

214 Предыдущие эксперименты этой группы учёных заключались в стратегии использования электронно-лучевой литографии. Не углубляясь в технику создания паттерна резиста вокруг нанопровода и другие детали методики лишь отмечу, что технология применения высоко разрешающей электронно-лучевой литографии оказалась мало пригодной для масштабирования на значительные площади кристаллов современных полупроводников. В результате, по словам исследователей, применение ZnO нанопроводов позволяет создавать полупроводниковые многослойные конструкции любой сложности. Самое интересное, что подача напряжения в определённых условиях приводит к появлению излучения устройства в спектре ультрафиолетового диапазона с пиковой длиной волны примерно 380 нм (на снимке, уголок e.).

215 Также стоит отметить, что цвет свечения светодиода определяется используемыми материалами. Например, использование нанопроводников на основе нитрида галлия (GaN) позволяет добиться другого спектра светодиодного свечения.

216 Итого, учёным удалось найти простой способ независимого форми- рования верхнего и нижнего контак- тов для единичного полупроводника на базе нанопровода, превосходно масштабируемого на значительные площади чипа. Более того, учёные утверждают, что методика позволяет не только совершенно произвольно ориентировать нанопроводники на подложке, но также с лёгкостью обеспечивать контроль расположения и относительной ориентации большого количества нанопроводников, а перенос и расположение нанопроводников может осуществляться посредством контакта подложки с "нанопроводниковой" суспензией.

217 Уже спустя ученые из научно-исследовательской лаборатории IBM создали первый транзистор, представлявший два электрода из платины с нанотрубкой посередине, и в майском выпуске журнала Nature за 1998 предположили, что такой транзистор будет лучше кремниевого.

218 Гораздо более высокий интерес к нанотрубкам, нежели к фуллеренам, объясняется тем, что они намного более технологичны – с протяженными объектами легче работать, чем с наноскопическими «шариками» фуллеренов, их легче использовать в электронике или иной технике. Кроме нанотрубок, немалый интерес ученые проявляют и к открытому после них плоскому аллотропу углерода – графену. В некотором приближении графен можно считать двумерным, а нанотрубки – одномерным аллотропом углерода

219 Однако, у нанотрубок есть одно интересное свойство – их способность проводить электрический ток зависит от хиральности. Дабы не вдаваться в излишние детали, поясним это так: вектор хиральности выражается двумя числами (n, m), определяющими направление «закручивание» графеновой плоскости вокруг оси цилиндра. В зависимости от хиральности, нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками.

220 Мы уже давно перестали удивляться применению самой разнообразной органики в составе полупроводниковых устройств. Взять те же дисплеи и телевизоры на базе органических светоизлучающих диодов (OLED, Organic light-emitting Diode). Но удивительная вещь даже по нашим диковинным временам - это память из… бумаги. Именно из бумаги предложили делать чипы учёные из Нового Лиссабонского университета Бумага, используемая для создания "бумажной памяти", представляет собой волокна древесины сосны и полиэстера, смешанные вместе и закреплённые ионообменным композитом. Далее с помощью магнетронного распыления на полученный носитель с двух сторон наносится окись цинка с примесью галлия и индия. В результате получается тонкоплёночный полупроводниковый транзистор, где бумага играет роль подложки и одновременно слоя "бумажного" диэлектрика. Пороговое напряжение такого ZnO-TFT полевого транзистора составляет порядка 19В, a дрейфовая подвижность достаточно высока – до 28 см²/В*с (cm2/Vs, сантиметров в квадрате на вольт-секунду), при этом размах напряжения управления затвором составляет 1,39В на декаду и соответствующее коэффициент переключения - 3x105. Интересно также заметить, что светопропускание такого материала (включая свойства подложки) составляет порядка 80% в видимой части спектра. Иными словами, полупроводниковая бумага ещё и практически прозрачна.

221 Устройство "бумажной памяти"

222 Японским исследователям удалось разработать органический жидкокристаллический полупроводник с подвижностью носителей на уровне 0,27 см²/В*с, что практически в десять раз превышает лучшие показатели "классических" органических полупроводников. Для этого учёные избрали в качестве молекулярной основы специфическое комплексное соединение "конденсированный медь-порфирин" (condensed porphyrin copper complex), сформированное из хлорофиллоподобных структур. Связи в этих молекулах, ответственные за перенос электронов, гораздо сильнее, нежели у большинства известных органических полупроводников. С помощью технологии комбинирования молекулы вещества были объединены с гидрофильными цепями с одной стороны и гидрофобными с другой стороны. Нагрев получившегося соединения до 120°C и охлаждение до комнатной температуры в течение часа позволил молекулам самопроизвольно сформировать специфические структуры в виде колонн, и в результате получился материал в жидкокристаллическом состоянии при комнатной температуре.

223 Молекулярная структура амфипатического комплексного соединения "конденсированный медь-порфирин" (слева); он же после обработки (справа)

224 Двухмерная модель расположения амфипатических молекул

225 Ещё одна интересная идея – о полупроводниках-магнитах. Учёным из Центра нейтронных исследований (Center for Neutron Research) при Национальном институте стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology, NIST) впервые на практике удалось подтвердить теорию магнетизма полупроводников. Значимость этого открытия для будущего такова, что когда открытие будет доведено до коммерциализации, однажды мы проснёмся в совершенно ином мире сверхминиатюрных и быстрых гаджетов. Магнитные полупроводники, будучи запущенными в массовое производство, потенциально могут вытеснить как современные накопители на жёстких дисках и флэш- памяти, так и современные вычислительные и логические чипы, став универсальным решением для хранения данных и одновременно с этим для проведения быстрых вычислений на базе встроенной магнитной логики, контролируемой электрическими полями.

226 Увы, к сожалению, ожидать "магнитную электронику" на прилавках пока рано. Дело в том, что эффект антиферромагнитного сцепления в полупроводниках наблюдается пока только при температуре порядка 30K (-243°C), и до комнатных температур ещё ой как далеко. Впрочем, учёные- практики не унывают и с помощью уже полученных результатов намерены, что называется, "убить двух зайцев". Во-первых, теперь можно тщательно изучить уже полученный эффект, а во-вторых, дать физикам-теоретикам дополнительную пищу для размышлений – теперь, окрылённые подтверждением своих догадок, они имеют возможность углубиться в изучение этого вопроса и разобраться в том, как на практике добиться эффекта антиферромагнитного сцепления в полупровод- никах при комнатной температуре.

227 В процессе проведения экспериментов учёным из Йеля удалось обнаружить и "запрячь" силу оптических потоков в интегрированных кремниево- фотонных микросхемах для активации встроенного наномеханического резонатора. Наномеханическое устройство – этакий автономный волновод, управляемый потоком света, выводит данные через микроконтакт на диэлектрической подложке.