Без микроэлектронных компонентов, таких как процессоры, платы, чипы и контроллеры управления, не могут работать привычные нам устройства и технологии: смартфоны, банковские и транспортные карты, навигаторы, лифты и более сложное оборудование. Однако процесс высокоточного производства и разработки микроэлектронных компонентов до сих пор для многих остается загадкой. Так случилось, потому что долгое время заказчиком и пользователем таких компонентов являлось именно государство, а сами продукты производства скрываются внутри сложных технологий.
Что представляет из себя микроэлектроника и что она производит, какие специалисты задействованы в технологических процессах и какие существуют особенности работы в самой загадочной отрасли — об этом мы узнали у специалистов из НИИЭТ (НИИ электронной техники, входит в Группу компаний «Элемент», MOEX:ELMT), одного из крупнейших производителей микроэлектроники в стране, и делимся с вами.
Микроэлектроника: чем занимается и что производит
Микроэлектроника — одна из самых сложных технологических отраслей в мире. Она занимается проектированием и производством электронных микрокомпонентов и схем миниатюрных размеров, которые измеряются в нанометрах (нм).
Ее основу составляют интегральные микросхемы с чипом из кремния, на котором располагаются миллионы или даже миллиарды транзисторов, размер которых и определяет уровень технологии и степень интеграции. Именно эти микросхемы и используются практически во всех устройствах и технологиях. Благодаря микроэлектронике мы каждый день можем пользоваться привычными нам устройствами и на работе, и дома.
Микроэлектроника многообразна: низкопотребляющая, силовая, радиочастотная, промышленная, высокопроизводительная и для всей нужны разные интегральные схемы.
Основные элементы микроэлектроники составляют интегральные схемы, резисторы, транзисторы и конденсаторы, которые размещаются на чипах из кремния. А главным трендом в отрасли остается стремление к уменьшению размеров устройств и топологических норм при наращивании их производительности. При этом сфера применения микроэлектронных компонентов очень обширна, а потребность в таких продуктах постоянно растет по мере развития ИИ, внедрения новых передовых технологий в транспортную и космическую отрасли, медицину и другие сферы нашей жизни.
С чего все начиналось?
Развитие мировой микроэлектроники началось в 1947 году, когда американскими физиками был изобретен первый транзистор, что позволило заменить большие вакуумные лампы на более компактные устройства. Именно это событие стало началом эры полупроводниковых устройств. Затем в 1958 в США Джеком Килби была создана первая интегральная схема, за что он получил Нобелевскую премию.
В СССР она была спроектирована чуть позже Юрием Осокиным — в 1962 году. При этом после выпуска первых прототипов к концу того же года были выпущены уже 5000 первых микросхем. Важным этапом стало создание в стране российского аналога Кремниевой долины — города Зеленоград, одного из ключевых центров микроэлектронной отрасли.
В числе первых предприятий созданного там Научного центра микроэлектроники был открыт НИИ точного машиностроения. Он был основан в 1962 году и работает и сегодня, производя широкий спектр исследовательского и промышленного технологического оборудования.
В 1965 году Гордон Мур, американский инженер, сформулировал закон, который гласил, что каждые два года количество транзисторов на микросхеме будет удваиваться, а цена микросхемы расти не будет. Именно этот закон стал основой для развития индустрии на несколько десятков лет вперед. При этом во все времена основным двигателем для развития микроэлектроники были именно крупные государственные заказчики.
В США, например, это была космическая отрасль и ее программа по первой пилотируемой высадке на Луне — «Аполлон». В России также бОльшая часть микроэлектронных продуктов предназначалась именно для аэрокосмической отрасли: это было необходимо в борьбе за освоение космоса и для технологического развития страны в целом.
Сферы применения продукции
Сфера применения микроэлектронной продукции обширна: от ИТ, автомобильной отрасли до медицины и аэрокосмической промышленности. Прежде всего, конечно, микроэлектронная продукция используется для самой сферы ИТ. Из огромного количества микроэлектронных компонентов состоят все современные электронные устройства: компьютеры, ноутбуки, мобильные телефоны, умные наручные часы, игровые приставки, телевизоры и т.д.
Микроэлектроника широко используется для современных средств связи, сетевого оборудования — антенн, модулей связи, различных микросхем и процессоров. А также сложных и самых мощных процессоров, контроллеров для управления оборудованием, накопителей данных.
В медицинской сфере микроэлектроника часто применяется при создании имплантируемых устройств, например, кардио- и нейростимуляторов, кохлеарных устройств, которые стимулируют слуховой нерв, преобразуя сигналы в электрические импульсы, биосенсоров (устройств, которые дают возможность отслеживать состояние человека в режиме реального времени), абилитационных и других устройств, например, сканеров МРТ.
В автомобилестроении микроэлектронные компоненты используются для создания умных, более безопасных и комфортных в управлении автомобилей:
- системах управления двигателем, впрыска топливом и зажиганием;
- тормозной системе;
- системе распределения тормозных усилий;
- такой важной системе безопасности автомобиля;
- мультимедийных системах машины;
- системе адаптивного освещения.
Здесь проще сказать, где микроэлектронные компоненты не применяются, чем перечислять, где они используются, настолько микроэлектронные продукты востребованы в автомобилестроении.
Стратегическое значение микроэлектронная продукция имеет для развития аэрокосмической отрасли, где важны размеры, минимальный вес и высокая надежность изделий. Интегральные схемы и микропроцессоры используются для создания навигационных систем, ракет и космических кораблей. Кроме того, именно с помощью микроэлектроники разрабатываются технологии для жестких условий эксплуатации, таких как экстремально высокие или низкие температуры, сильные вибрации и воздействие радиации.
Микроэлектроника в людях: какие специалисты задействованы в отрасли
В микроэлектронной отрасли работают самые разные специалисты, которые занимаются проектированием и разработкой миниатюрных компонентов, созданием программного обеспечения, тестированием готовой продукции. Они находятся на «передовой микроэлектроники», здесь особенно востребованы инженеры.
Специалисты отрасли и задачи, которые они выполняют:
- Инженеры-микроэлектронщики занимаются проектированием, разработкой микросхем и полупроводниковых приборов, их оптимизацией. А также разработкой ПО для проектирования новых схем и контроля производства компонентов с соблюдением всех стандартов. Сегодня эта профессия достаточно востребована в научно-исследовательских институтах, на предприятиях электронной промышленности и у производителей электроники.
- Инженеры-схемотехники разрабатывают логику работы электронных узлов и систем, подбирают компонентную базу, моделируют и тестируют платы. Эти специалисты работают с новейшими технологиями и создают инновационные решения.
- Инженеры-топологи отвечают за размещение и проектирование миллиардов транзисторов на кристаллах из кремния. Еще их называют физическими дизайнерами, потому что именно они превращают описание схемы в электрическую схему, а затем – физическую топологию.
- Материаловеды занимаются исследованием, разработкой и тестированием новых материалов, необходимых для создания устройств, отвечают за повышение функциональности элементов и схем. Работают с металлами, композитами, полупроводниками и технологиями модификации материалов.
- Инженеры по верификации занимаются проверкой корректной работы различных компонентов: модулей, контроллеров или чипов. Также они разрабатывают стратегию и планирование, выбирают методы тестирования для проверки работы чипов до того, как они будут запущены в массовое производство.
- Инженеры-технологи отвечают за разработку и оптимизацию технологических процессов производства интегральных микросхем, полупроводниковых приборов и других изделий. Их работа направлена на обеспечение качества выпускаемых изделий.
Цена точности
Впрочем, сама микроэлектроника интересна не только набором профессий, но и тем уровнем точности, которого эта отрасль требует от людей, материалов и производственной среды. За каждой микросхемой здесь стоит не только команда специалистов, но и целая система жестких условий: от чистоты помещений и материалов до длинного производственного цикла, в котором практически нет права на ошибку.
Высокие требования к производственным помещениям
Современные полупроводниковые устройства достаточно чувствительны к загрязнениям. Поэтому основные требования предъявляются, прежде всего, к производственным помещениям: классу чистоты (он должен соответствовать международным стандартам ISO и GMP) и соблюдению определенных показателей давления, температуры и влажности воздуха.
Высокие требования к чистоте материалов
Для производства микроэлектронных компонентов требуются материалы высокой чистоты, так как даже самое небольшое количество примесей может привести к дефектам в конечном продукте. Это аммиак, водород, азот, углерод, силан, которые производят только несколько компаний во всем мире.
Долгий процесс запуска в производство
От разработки и до массового производства микроэлектронное изделие проходит достаточно долгий путь — он занимает от двух до трех лет. Это связано не только с процессом проектирования, но и с тем, что для всех производственных операций требуется высокая точность и не допускается даже минимальный процент ошибки. Качественная микроэлектронная продукция — основа производственного процесса.
Высокие требования к навыкам специалистов
Сотрудники производств, занимающиеся разработкой, топологией, тестированием готовой полупроводниковой продукции, должны иметь высшее профильное образование, хорошо знать такие предметы, как физика, химия, математика, материаловедение и часто — уметь писать код.
Один день на производстве
Каждый этап производственного процесса отточен до мелочей, а правила распорядка точно соблюдаются, чтобы минимизировать или свести к нулю риск любых ошибок. Обязанности сотрудника на смену заранее формируются его руководителем, чтобы каждый работник знал свою роль, задачи и последовательность операций. Это позволяет гарантировать слаженную работу команды и положительно влияет на конечный результат.
Рабочий день на производстве НИИЭТ длится 8 часов, в течение дня предусмотрены перерывы для отдыха и приема пищи. Начинается работа с выполнения обязательного правила — соблюдения электронной гигиены. Это значит, что каждый сотрудник, имеющий доступ в производственные цеха, перед началом работы должен переодеться в специальные антистатические костюм и обувь и надеть антистатический браслет, предварительно проверив его работоспособность на тестер-стенде.
Только после этого сотрудник может пройти на свое место и приступить к его подготовке: настроить микроскоп и подготовить рабочие инструменты. Еще одно важное правило — перед началом и после окончания каждой операции необходимо делать отметку об этом в сопроводительном листе. Это помогает понять, какой сотрудник выполнял ту или иную работу и на каком этапе случилась ошибка, если она была выявлена.
Как правило, один специалист выполняет за смену одну конкретную операцию. Это делается для точности выполнения каждой задачи и помогает специалисту не отвлекаться на другие действия.
Например, одним из ключевых этапов производства является операция разварки внутренних выводов интегральных микросхем, обеспечивающая электрическое соединение между кристаллом микросхемы и внешними выводами корпуса или печатной платой. Разварка выполняется с помощью тонких металлических проволок из алюминия, золота или меди диаметром 20–50 мкм, которые присоединяются к контактным площадкам методом микросварки.
Процесс соединения проволочного вывода состоит из нескольких последовательных этапов:
- Проволока подается через специальный капилляр — основной рабочий инструмент сварочной головки.
- На конце проволоки формируется либо шарик (при шариковой сварке), либо клин (при клиновой сварке).
- Проволока прижимается к контактной площадке с заданным усилием. Одновременно с этим подаются ультразвуковые колебания и/или тепло, что обеспечивает образование прочного соединения на атомном уровне.
- После первой сварки создается петля проволоки, после чего аналогичным образом формируется вторая точка сварки на другой контактной площадке.
После разварки соединения проверяются визуально (под микроскопом) и механически (испытания на отрыв и сдвиг). Особое внимание уделяется отсутствию дефектов, правильному формированию петли и надежности контакта.
Кроме того, технологии, применяемые для производства микроэлектронных компонентов, постоянно совершенствуются. Несмотря на максимальную автоматизацию процесса, роль квалифицированного персонала остается ключевой для обеспечения качества, надежности и безопасности производства интегральных микросхем и полупроводниковых приборов.
Как проходит корпусирование электронных компонентов в пластик
Один из важнейших и сложнейших процессов — корпусирование электронных компонентов в пластик. Он состоит из нескольких этапов.
Сначала полупроводниковая пластина уточняется до необходимой толщины, ограниченной габаритными размерами корпуса будущей микросхемы. Утонченная пластина монтируется на адгезионный спутник-носитель и разделяется на кристаллы. После разделения пластину промывают деионизированной водой, сушат. Потом адгезионный спутник-носитель облучают ультрафиолетом для уменьшения адгезионных свойств.
Затем получившиеся кристаллы монтируют на выводные рамки. Для этого на монтажные площадки многокадровых выводных рамок наносится клеевое соединение, с пластины кристалл захватывается и монтируется на рамку, в конце клеевое соединение сушат в заданном температурно-временном режиме.
Далее производится ультразвуковая сварка внешних выводов рамок и контактных площадок кристаллов медной проволокой с палладиевым покрытием. Операция выполняется термозвуковым способом.
Потом в пресс-форме изделия герметизируют составом на основе полимеров, резин, смол или других материалов (компаундом) методом трансферного литья под давлением.
Для стабилизации пластика и обретения им прочностных характеристик компаунд полимеризуют в высокотемпературных шкафах.
Затем осуществляется просечка проволочных выводов. На этом этапе убираются излишки пластика на корпусах, отделяются внешние выводы для дальнейшего покрытия торцевых частей гальваническим сплавом.
Гальваническое покрытие проводится сплавом олово и висмут и необходимо для повышения защитных свойств будущих изделий.
Далее выводы микросхем формуют классической формой «Крыло чайки» и отделяют микросхемы от спутника (рамки). После этого их помещают в пластиковые антистатические лотки для микросхем (джек-треи). На этом этапе корпусирование электронных компонентов завершено.
Затем на производстве производят 100%-й функциональный контроль изделий на соответствие техническим условиям. Исправные микросхемы маркируются, а лотки с микросхемами в вакууматоре упаковываются в антистатические тару и отправляются к заказчику.
Таким образом, процесс производства микроэлектронных компонентов действительно сложный и кропотливый, примером служит процесс корпусирования электронных компонентов в пластик. Сама микроэлектроника считается одной из самых сложных, наукоемких и капиталоемких отраслей в мире с высоким порогом входа и длинными инвестиционными горизонтами.
Ее дальнейшее развитие невозможно без вертикальной интеграции, государственной поддержки и системной работы с кадрами. Такое будущее будет открывать новые горизонты инноваций, делая возможным появление еще более умных, миниатюрных и мощных решений.