Перспективы развития электронных компонентов для бортовой аппаратуры космических систем

Развитие ракетно-космической техники (РКТ) ставит перед разработчиками аппаратуры жесткие требования – улучшение габаритно-массовых характеристик, увеличение функциональных возможностей аппаратуры и повышение сроков ее активного существования. Электронная компонентная база (ЭКБ), применяемая в бортовой аппаратуре космических аппаратов (КА), должна обладать следующим набором специфических условий:

- разнообразие функциональных задач, выполняемых КА, приводит к необходимости использования широкой номенклатуры типономиналов ЭКБ при крайне малой количественной потребности;

- широкая функциональная номенклатура ЭКБ требует при производстве применения разнообразных технологий, многие из которых уникальны и отсутствуют в Российской Федерации;

- жесткие требования к сроку активного существования (САС) при полном отсутствии возможностей ремонта приводят к сверхжестким требованиям надежности и стойкости к дестабилизирующим факторам космического пространства (см. рис. 1).

Специфика ЭКБ космического применения в том, что ее развитие идет путем, отличным от развития электроники общепромышленной, ориентированной на массовый выпуск продукции с коротким жизненным циклом и быстрой сменой типов.

paint1

Рис. 1. Специфика ЭКБ для аппаратуры космического назначения

Следствием этих особенностей оказывается крайне длительный жизненный цикл аппаратуры – и, соответственно, повышенные требования к жизненному циклу компонентов. За примерами далеко ходить не надо. Трудяга ракетоноситель «Союз», который за последние 40 лет вывел на орбиту огромное число аппаратов, разгонный блок-фрегат, успешно выпускаемый более 12 лет, КА «ГЛОНАСС-М», составляющие основу орбитальной группировки ГЛОНАСС… Список можно продолжить – но проблема комплектования аппаратуры с такими жизненными циклами становится все острее. Налицо противоречие между требованиями к жизненному циклу аппаратуры и реальной сменяемостью поколений ЭКБ.

Ключевой задачей при создании ЭКБ для применения в аппаратуре РКТ является обеспечение приемлемой стоимости мелкосерийного производства при безусловном обеспечении требований широкой номенклатуры, длительного жизненного цикла, надежности, стойкости к дестабилизирующим факторам и отказоустойчивости.

В то же время развитие мировой микроэлектроники идет семимильными шагами. Не секрет, что полупроводниковая промышленность занимает в мировой экономике уникальное положение: она развивается по детально разработанному плану, который, однако, не только не препятствует конкурентоспособности участников, но даже способствует ей. Этот план известен как International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) и представляет собой план-прогноз, ежегодно обновляемый и публикуемый международной организацией Semiconductor Industry Association (SIA).

В основе ITRS лежат несколько простых принципов, в т.ч. знаменитый закон Мура об удвоении числа элементов СБИС каждые 1,5–2 года. Закон Мура не отражает каких-либо фундаментальных законов природы, а лишь описывает ситуацию, складывающуюся на рынке в результате конкуренции между производителями, а также вследствие взаимного стимулирования радиоэлектронной и полупроводниковой отраслей. Играет роль и психологический фактор. Разработчики и производители придерживаются прогнозных сроков закона Мура и ITRS потому, что знают – конкуренты действуют так же. Более того, стремление обогнать конкурентов часто приводит к тому, что разработчики и производители выводят на рынок новое изделие раньше, чем это предусмотрено ITRS. В результате в наши дни закон Мура, строго говоря, должен формулироваться иначе, поскольку из экспоненциального он превратился в суперэкспоненциальный.

Главное значение же ITRS в том, что этот план – не только прогноз динамики параметров, но и содержит точные указания относительно того, какими конструкторскими и технологическими средствами новые параметры могут быть достигнуты, когда и какие технические средства должны быть разработаны и освоены производством. Таким образом, ITRS является руководством к действию для разработчиков не только приборов, но и техпроцессов и технологического оборудования.

Однако при каждом удобном случае в рассуждениях о проектных нормах и степени интеграции СБИС зачастую забывается, что потребителю, в общем-то, все равно, на какой базе сделана аппаратура. Его интересует функционал. Потребители предъявляют к разработчикам аппаратуры для космических аппаратов все более жесткие требования: необходимо увеличение функциональных возможностей аппаратуры при одновременном уменьшении габаритно-массовых характеристик и повышении срока ее активного существования. Снижение себестоимости конечной продукции и повышение качества надежности и функциональности изделия – основные задачи, решаемые мировыми лидерами в области космического приборостроения. Эти требования постоянно стимулируют исследователей и производителей разрабатывать и внедрять все новые и новые технологии.

В своем развитии электронная промышленность прошла через несколько этапов. В 1940–80-е гг. активно использовался монтаж в отверстия, в основном, при ручной пайке и монтаже. Изделия отличались достаточно большим весом и габаритами.

Начиная с 1980-х гг. печатные узлы стали разрабатываться с применением компонентов поверхностного монтажа, и при их сборке начали широко применяться полуавтоматические и автоматические методы монтажа. Вес и габариты изделий уменьшились в 6–7 раз.

Около пяти лет назад появилась новая технология – встраиваемые компоненты внутри печатных плат. Формируется печатный узел со сложной 3-D структурой, в которой как дискретные, так и пленочные компоненты расположены внутри самих печатных плат. Это позволяет в еще большей мере уменьшить габариты изделия и увеличить его функционал (см. рис. 2).
paint2

Рис. 2. Развитие технологий сборки и монтажа

Эти тенденции получили название «Больше, чем Мур», т.к. помимо уменьшения размеров элементов до нанометрового диапазона существенные преимущества достигаются за счет гетерогенной интеграции, что позволяет совместить в одном корпусе элементы, изготовленные с применением различных микро- и нанотехнологических маршрутов (см. рис. 2).

Данная технология является крайне перспективной для создания бортовой аппаратуры современных космических аппаратов и позволяет удовлетворить растущие требования к функциональным, массогабаритным и энергетическим характеристикам.

В непрерывной технологической гонке Россия пока играет роль наблюдателя и потребителя технологий, разработанных зарубежом. Разработка и внедрение предлагаемых современных технологий космического приборостроения в рамках реализуемых проектов Роскосмоса и Минобороны России крайне затруднена, поскольку жесткие сроки создания космических систем вынуждают главных конструкторов использовать отработанные, но морально устаревшие технологические решения. В результате отставание от мировых лидеров увеличивается.

В настоящее время в России производством ЭКБ занимаются предприятия как с государственным участием, так и частные фирмы. Предприятия с государственным участием подведомственны Минпромторгу России, ГК «Ростехнологии», ГК «Росатом». Имеются специализированные производственные мощности и на предприятиях Роскосмоса. Уровень технологий большинства существующих производств соответствует мировому уровню конца 1980-х гг. – степень автоматизации технологических процессов мала, высока доля ручных операций и как следствие, велико влияние человеческого фактора на качество выпускаемой продукции. Конечно, нельзя не отметить усилия, предпринимаемые для преодоления сложившейся ситуации – есть надежда, что к 2015–2017 гг. технологическая модернизация предприятий радиоэлектронного комплекса принесет свои плоды.

Создание производства субмикронных СБИС в России реализовано в ОАО «НИИМЭ и Микрон» в рамках частно-государственного партнерства. В 2009 г. началась реализация совместного проекта ОАО «НИИМЭ и Микрон» с ГК «Роснано» по созданию производства с проектными нормами 90 нм. Существуют планы создания на базе ОАО «НИИМЭ и Микрон» производства с проектными нормами 65–45 нм.

Серийно на ОАО «НИИМЭ и Микрон» выпускается достаточно широкая номенклатура изделий, разработанных в 1980-х гг. Это ИС малой и средней степени интеграции.

Таким образом, создаваемые в ОАО «НИИМЭ и Микрон» производственно-технологические мощности позволят в среднесрочной перспективе (2012–2013 гг.) решить проблему отечественного производства высоконадежных цифровых и цифроаналоговых СБИС. Однако вводимые мощности не решают проблем производства необходимой номенклатуры ВЧ- и СВЧ-изделий, высоковольтных процессов, дисплейных технологий, ряда типов СБИС памяти и ПЛИС.

Помимо ОАО «НИИМЭ и Микрон», в России существуют экспериментальная линейка в НИИСИ РАН, ведется строительство линейки в НИИ ИС им. Седакова (Н. Новгород), а также существуют планы ОАО «Ангстрем» по созданию специализированного производства кристаллов.

В то же время остается ряд проблем с производством специализированных схем аналоговой и ВЧ-электроники, схем памяти, постоянной памяти MRAM и т.д., СВЧ-изделий, схем типа «система в корпусе», интерфейсных схем.

Отсутствие необходимой номенклатуры ЭКБ отечественного производства вынуждает использовать ЭКБ иностранного производства (ЭКБ ИП), доля которой в современной бортовой аппаратуре составляет более 70%.

Уже поднимался вопрос о технологической безопасности страны в части ЭКБ. Наша позиция была представлена — в настоящее время ни одна страна в мире не может позволить себе полный цикл производства всех вариантов технологий создания компонентов. Ведущие мировые производители компонентов, модулей и приборов – компании BAE Systems, Aeroflex и т.д. — развивают кооперационные связи, т.к. не имеют собственного кристального производства, ориентируясь не только на американские предприятия, но и на Тайвань, Израиль, Европу. Наверное, стоит задуматься о том, чтобы в этом списке числились и российские фабрики.

Технологическая безопасность – это, прежде всего, возможность обеспечить выполнение программ в течение длительного жизненного цикла изделий и с учетом безусловного соответствия требованиям назначения, условиям применения и экономической целесообразности.

И ни в коем случае нельзя противопоставлять ставшими привычными за последние 20 лет подходы к комплектованию импортом и работой с фаундри с применением отечественных компонентов и изготовлением на отечественном производстве. Для ее обеспечения нужно думать и о сборочном и испытательном производстве, складах длительного хранения, материалах и т.д. и т.п.

Как уже отмечалось, выпуск высоконадежных компонентов в небольшом количестве нерентабелен для предприятий электронной промышленности, нацеленных на массовое производство, однако представляет весьма доходный и динамично развивающийся бизнес для специализированных нишевых компаний. В США и ряде европейских стран работает много предприятий такого рода. Это могут быть как самостоятельные фирмы, например Aeroflex, так и подразделения крупных фирм, создающих сложные комплексы, например Boeing. Так, по данным аналитической компании Hoover's, компания Aeroflex демонстрирует стабильный рост (см. табл. 1).

Таблица. 1. Показатели прибыли компании Aeroflex

Показатель

2006 г.

2005 г.

2004 г.

Выручка, млн долл.

551,8

463,4

414,1

Валовая прибыль, млн долл.

258,4

218,6

192,7

Даже в «кризисном» 2008 г. в последнем квартале года продажи составили более 156 млн долл. при валовой прибыли более 73 млн долл. (данные квартального отчета Aeroflex от 17 февраля 2009 г., опубликованные на официальном сайте компании).

Организацией работ и формированием программ по производству радиационно-стойкой элементной базы в США занимаются три ведомства: Министерство обороны, Министерство энергетики, Национальное космическое агентство (NASA).

Министерство обороны США с 2001 г. реализует программу ускоренного развития радиационно-стойкой элементной базы в рамках Программы производства вооружений (Defense Production Act, Title III). В структуре Министерства обороны США Программа контролируется Агентством по уменьшению военной угрозы, подчиняющимся заместителю Министра обороны США по закупкам, технологии и логистике. Непосредственная поставка радиационно-стойкой элементной базы для нужд Министерства обороны США, а также других ведомств контролируется Центром снабжения вооруженных сил (DSCC) в Колумбусе. Центр DSCC в Колумбусе ведет реестр QML (Qualified Manufacturers List) сертифицированных изготовителей элементной базы для нужд Министерства обороны СШA.

Помимо сертифицированных фирм производством радиационно-стойкой элементной базы занимаются несертифицированные фирмы других ведомств (например, Сандийские лаборатории Министерства энергетики США) или частные фирмы типа Peregrine Semiconductor. Взаимодействие с другими ведомствами и промышленностью США в области радиационно-стойкой элементной базы координируются Центром микроэлектроники США DMEA в Сакраменто, шт. Калифорния.

Министерство энергетики США производит специализированную радиационно-стойкую ЭКБ в Центре микроэлектроники Сандийских национальных лабораторий, а также проводит исследования по данной проблеме в Ядерном центре Лос-Аламоса. Министерство энергетики США имеет собственные требования к радиационно-стойкой элементной базе, но большей частью они унифицированы с требованиями стандартов Министерства обороны США. Национальное космическое агентство США (NASA) проводит работы по радиационно-стойкой микроэлектронике в своих исследовательских центрах, например, Лаборатории реактивного движения JPL Стэндфордского университета.

В 1998 г. совместно с компанией Intel эта лаборатория передала технологии радиационно-стойких процессоров Pentium в Сандийские лаборатории.

Компания BAE Systems закончила модернизацию своего производства пластин при спонсорской поддержке Министерства обороны США по обеспечению внутреннего гарантированного ресурса для радиационно-стойкой микроэлектроники для стратегических военных и космических приложений следующего поколения. Производство пластин в настоящее время находится в полном объеме по технологическим нормам 250 и 150 нм. Компания BAE Systems продолжает играть важную роль в качестве внутреннего торгового поставщика радиационно-стойкой техники, производя продукты следующего поколения и предлагая услуги по производству пластин на вновь обновленных технологических мощностях.

Компания Aeroflex участвует в международной производственной кооперации, в т.ч. не только изготавливает заказные кристаллы, но и осуществляет корпусирование предварительно оттестированных кристаллов в металлокерамические корпуса.

Аналогичным путем идут в Европе и Японии. В частности, Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) совместно с рядом компаний создало специализированное производство изделий радиационно-стойкой ЭКБ. Институт космических исследований и астронавтики (ISAS) Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) владеет технологическим базисом для гибкой разработки и производства логических интегральных микросхем с очень высокой радиационной стойкостью и приемлемой ценой. Это было достигнуто путем интеграции технологии проектирования радиационно-стойких схем ISAS в современные технологии КнИ от Mitsubishi Heavy Industries Ltd., производителя электронной продукции с высокой надежностью. Кроме того, создана библиотека блоков для проектирования интегральных схем с перспективой применения в различных областях помимо космической.

Этот технологический базис был разработан за счет расширения системы развития статистической оперативной памяти (SRAM) с использованием технологии КнИ.

Европейское космическое агентство имеет опыт построения кооперации при создании специализированной ЭКБ совместно с компанией Atmel.

Таким образом, мировой опыт свидетельствует о том, что создание необходимых технологий ЭКБ для космического приборостроения осуществляется с помощью механизмов частно-государственного партнерства через заинтересованные государственные институты.

Современные подходы к созданию специализированной ЭКБ, стойкой к дестабилизирующим факторам космического пространства, можно разделить на следующие большие группы: технологические методы повышения стойкости, конструктивные и схемотехнические,а также обеспечение поддержки моделирования влияния ДФ КП на этапе проектирования компонентов (см. рис. 3).

paint3

Рис. 3. Подходы к созданию специализированной ЭКБ, стойкой к дестабилизирующим факторам космического пространства

К технологическим методам следует отнести использование специализированных техпроцессов изготовления СБИС и материалов. Так, в частности, это технологии «кремний-на-сапфире» (КнС), «кремний-на-изоляторе» (КнИ), специализированные операции легирования и т.д. Все эти способы чрезвычайно дорогостоящи, и потому они реализованы на небольшом числе производств. В частности, ведущими производителями подобных структур являются компании Honeywell (США), Peregrine Semiconductors (США) и ряд других.

К схемотехническим методам повышения радиационной стойкости, в т.ч. к тяжелым заряженным частицам (ТЗЧ) относятся применение библиотек элементов с мажоритированием на уровне вентилей, кодеров, декодеров Хэмминга, т.н. «усиленных» библиотек элементов, отбор библиотечных компонентов и ряд других приемов. Основным достоинством такого подхода является возможность его реализации на существующих и перспективных фабриках, обладающихСТАНДАРТНОЙ (предназначенной для массовой продукции) технологией. Такой подход получил международное название Rad hard by design [12, 13]. Так, французская компания МНS обеспечивает таким путем гарантированную стойкость порядка 100 кРад по объемному кремнию. Аналогичным путем работает Aeroflex, используя обычные технологические линейки ведущих производителей. При этом можно использовать как уже существующие мощности зарубежных фабрик, так и вводимые мощности ОАО «НИИМЭ и Микрон» и ОАО «Ангстрем». Использование такого подхода дает повышение стойкости, сопоставимое с применением специальной технологии, но при существенно (в 5–7 раз) меньшей стоимости.

К конструктивным способам повышения стойкости следует отнести использование специальных корпусов, методов локальной защиты и т.д. Получить высокую функциональность за приемлемую цену и с необходимыми массогабаритными характеристиками на сегодняшний день зачастую можно только с применением технологии интеграции кристаллов, изготовленных по различным технологиям в одном корпусе, т.е. с применением подхода «система-в-корпусе» (СвК). Динамика развития интеграции СвК представлена на рисунке 4.
paint4

Рис. 4. Динамика развития интеграции СвК

Переход на технологию СвК является одним из приоритетных направлений исследований и разработок мировой электроники и требует решения ряда проблем:

средства проектирования СвК, составленной из разнородных компонентов;

- электрическое моделирование межсоединений, встроенных компонентов и подсистем;

- разработка правил и методологии проектирования для СвК;

- термическое и термомеханическое моделирование;

- анализ надежности;

- средства и методология верификации СвК.

Технологическая цепочка разработки и изготовления компонентов космического применения высокой степени интеграции (БИС, СвК) включает в себя ряд достаточно обособленных технологических подциклов, которые в принципе могут выполняться на различных производственных площадях и имеют достаточно формализованные процедуры контроля и приемки результатов каждого такого подцикла. В идеальном случае вся эта технологическая цепочка должна быть расположена на территории Российской Федерации и работать под контролем ПЗ. Одним из важнейших этапов этой цепочки – изготовление партии пластин с кристаллами микросхем, или микроэлектромеханических компонентов. В силу исключительно высокой стоимости современных кристальных производств изготовление многих типов изделий неизбежно будет осуществляться на фабриках (в т.ч. зарубежных), работающих по коммерческим технологиям и не обладающих системами менеджмента качества, которые соответствовали бы требованиям производства изделий космического применения. Это предполагает наличие точек входа в технологической цепочке для несертифицированных комплектующих в виде полуфабрикатов пластин с кристаллами микросхем. Технически возможно провести сертификацию таких пластин на территории Российской Федерации с дальнейшим производственным циклом на отечественных предприятиях.

Развитие технологий трехмерной сборки позволяет реализовать многослойные структуры со встроенными активными и пассивными компонентами, объединяющими в единой микроминиатюрной конструкции функционально законченный узел.

Применение такого рода технологий в космическом приборостроении позволит не только уменьшить массу и габариты систем в 5–10 раз по сравнению с существующими сегодня, но и повысить надежность за счет сокращения числа паяно-сварных соединений, улучшения теплофизических характеристик конструкции и снижения стоимости в серийном изготовлении за счет унификации конструктивов, схемных и аппаратных решений.

Примером технологий трехмерной сборки для изделий типа «система-в-корпусе» является разработка компании EADS, включающая процессорное ядро, интерфейсные схемы и схемы памяти (см. рис. 5). Применение подобных модулей позволяет уменьшить массу и габариты перспективной аппаратуры в 10–12 раз по сравнению с существующими уровнями.
paint5

Рис. 5. Разработка компании EADS

Типовой узел класса система в корпусе характеризуется следующими параметрами:

$1·       максимальные линейные размеры: 150×250 мм;

$1·       количество кристаллов: 1…20 шт.;

$1·       количество компонентов поверхностного монтажа: до 100 шт.;

$1·       количество микросварок: 250 шт.;

$1·       тип подложки: многослойная низкотемпературная керамика;

$1·       герметичный корпус с контролируемой атмосферой;

$1·       количество рабочих смен: 1;

$1·       объем партий: 1…500 в зависимости от спроса на рынке;

$1·       серийность и номенклатура: мелко- и среднесерийное многономенклатурное производство.
paint6

Рис. 6. Реализация первой очереди проекта создания специализированного сборочного и испытательного производства

В настоящее время (см. рис. 6) начата реализация первой очереди проекта специализированного сборочного и испытательного производства для внедрения принципиально новых технологий создания бортовой аппаратуры космических аппаратов с использованием прорывных достижений микроэлектроники, нано- и микросистемной техники, технологий обработки сигналов и информации. Это в значительной мере обеспечит создание перспективной аппаратуры служебных и целевых систем космических аппаратов, определяющих облик КА на средне- и дальнесрочную перспективу (2017–2025 гг.).

В основе создаваемого производства – проведение разработки и проектирования СБИС и ЭКБ в дизайн-центрах РФ, изготовление кристаллов на отечественных зарубежных производствах с последующим корпусированием и сертификацией в РФ для аппаратуры РК (см. рис. 7)
paint7

Рис. 7. Основа создаваемого производства

Для реализации такого подхода необходимо создать современные высокотехнологичные участки микросборки и корпусирования для изделий специального применения.

Становление производства должно проходить с учетом следующих этапов:

$1·       внедрение единых руководящих указаний по конструированию, обязательных для всех разработчиков, входящих в структуру;

$1·       внедрение современных технологий и оборудования;

$1·       внедрение эффективной организации производства;

$1·       обучение персонала технологии;

$1·       обучение персонала эксплуатации оборудования;

$1·       внедрение эффективной системы обслуживания оборудования.

Основным требованием к автоматизированному оборудованию, кроме высокого качества и повторяемости процесса, является его гибкость – возможность работать с широкой номенклатурой микросборок и широчайшим объемом производства от единичного изделия до крупносерийного производства.

Данное требование означает быструю переналадку оборудования на сборку различных типов микросборок. Переналадка комплекта оборудования должна занимать не более 10–25 мин.

Основной результат реализации проекта – прорыв в области технологического исполнения основных элементов перспективных космических аппаратов.

Таким образом, решить проблему обеспечения ЭКБ производителей космической аппаратуры возможно только путем комплексного подхода, состоящего в пропорциональном использовании отечественных и импортных комплектующих, создания специализированных отраслевых производств (см. рис. 8).
paint8

Рис. 8. Реализация комплексного подхода при решении проблемы обеспечения ЭКБ производителей космической аппаратуры

Источник: Медиагруппа «Электроника»

дизайн
Компания Сансити