Микроэлектроника  

   — подраздел электроники, связанный с изучением и производством электронных компонентов с геометрическимиразмерами характерных элементов порядка нескольких микрометров и меньше.

   Такие устройства обычно производят из полупроводников и полупроводниковых соединений, используя фотолитографию и легирование. Большинство компонентов обычной электроники: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, транзисторы, изоляторы ипроводник — также применяются и в микроэлектронике, но уже в виде миниатюрных устройств в интегральном исполнении.

   Цифровые интегральные микросхемы по большей части состоят из транзисторов. Аналоговые интегральные схемы также содержат резисторы и конденсаторы. Катушки индуктивности используются в схемах, работающих на высоких частотах.

   С развитием техники размеры компонентов  постоянно уменьшаются. При очень  большой степени интеграции компонентов, а следовательно при очень малых размерах каждого компонента, очень важна проблема межэлементного взаимодействия — паразитные явления. Одна из основных задач проектировщика — компенсировать или минимизировать эффект паразитных утечек.

   Различают такие направления микроэлектроники, как интегральная и функциональная.

Задача  на оптимизацию печатных плат

    Суперсложные  и супербольшие многослойные печатные платы не соответствуют техническим  требованиям по влагостойкости. Более  того, при изменении относительной  влажности воздуха от 45% до 80 % (нормальные условия) сопротивление изоляции изменяется на 3 – 4 порядка. Образно говоря, такие  печатные платы «дышат». Уменьшение зазоров между проводниками привело  к тому, что уровень диэлектрических  характеристик стеклотекстолита стал явно недостаточным. 

    Прошли  годы. Изменилась элементная база, изменилась архитектура Супер-ЭВМ. Использование  таких громадных печатных плат стало  «признаком плохого тона».  А проблема, увы, осталась. Колокольчик зазвонил вновь, но уже не в России, а за ее пределами. Диэлектрические характеристики стеклотекстолита стали лимитировать дальнейшую микроминиатюризацию печатных плат.  И традиционными методами решить эту задачу нашим «потенциальным друзьям» пока не удается. 

    Как же быть? Прекрасная задача для доказательства дееспособности ТРИЗ. Можно даже сказать, что это «вопрос на засыпку». Экзамен  был сдан и не кое-как, а на оценку отлично!

    Дефекты структуры стеклотекстолита, по словам некоторых специалистов, позволяют  сравнить его с промокашкой. Чем  больше воды в этой промокашке, тем  хуже диэлектрические свойства. Для  повышения влагостойкости печатных плат их покрывают после монтажа  радиоэлементов лаком. При нанесении  лаковых покрытий дефекты структуры  стеклотекстолита частично устраняются (заполняются) полимером. Как повысить эффективность?

    Сформулируем  техническое противоречие задачи (ТП).

    ТП 1. Если лак сильно разбавлен, из-за низкой вязкости он глубоко проникает в  капиллярно-пористую структуру стеклотекстолита, но из-за небольшого содержания полимерного  связующего коэффициент заполнения капилляров невелик.

    ТП 2. Если лак содержит много полимерного  связующего, то коэффициент заполнения капилляров увеличивается, но из-за высокой  вязкости глубина его проникновения  невелика.

    Сформулируем  физическое противоречие задачи (ФП).

    ФП 1. Лак должен содержать много  полимерного связующего, чтобы был  выше коэффициент заполнения капилляров, и должен содержать мало полимерного  связующего, чтобы глубоко проникать  в капилляры.

    Это противоречие легко разрешается  с использованием стандартного приема разрешения физических противоречий «разделение  противоречивых требований во времени». Для нанесения первого слоя лака следует использовать сильно разбавленный лак, а при нанесении последующих  слоев лак с большим содержанием  связующего. К сожалению, на практике это решение оказалось недостаточно эффективным.

    При формулировке технического противоречия  чтобы «обмануть» психологическую инерцию человека ТРИЗ рекомендует уходить от конкретных названий. Если слово «лак» заменить более широким понятием «жидкость», ФП можно сформулировать следующим образом:

    ФП 2. Полимерное связующее в жидкости должно быть, чтобы обеспечить заполнение капилляров, и полимерного связующего в жидкости не должно быть, чтобы  она обладала максимальной проникающей  способностью.

    Или:

    ФП 3. Частицы полимера в жидкости должны быть большими, чтобы…, и должны быть маленькими, чтобы.

    Или:

    ФП 4. Частицы полимера в жидкости должны быть, чтобы, и не должны быть, чтобы.

    Для разрешения этих противоречий вновь  можно использовать прием «разделить противоречивые требования во времени». Частицы полимера в жидкости должны быть на финише процесса и частиц полимера не должно быть на его старте.

    Конкретное  техническое решение можно найти  в школьном учебнике по химии –  реакция полимеризации. Молекулы мономеров  соизмеримы по величине с молекулами воды. Молекулярная масса полимеров  измеряется сотнями тысяч и  даже миллионами у. е. (не подумаете о долларах). И, самое главное, полимеризация идет практически без изменения объема!

    Специалисты, на то они и специалисты, умерят наш  восторг и скажут: «Нет, не пойдет.  Полимеризация обычно происходит при температуре  выше 60 ⁰С (стандартной температуры для сушки лаковых покрытий)». Можно, опустив руки, на этом остановиться. А можно и даже нужно продолжить решение.

    Сформулируем  техническое противоречие следующей  задачи.

    ТП 1. Если мономер наносится на печатную плату с радиоэлементами, то капиллярная  пористость эффективно заполняется, но из-за повышенной температуры полимеризации  «погибают» термочувствительные радиоэлементы.

    ТП 2. Если мономер наносится на печатную плату до монтажа радиоэлементов, то термочувствительные радиоэлементы  сохраняют работоспособность, но при  этом мономер полимеризуется и на поверхности печатной платы, ухудшая  качество пайки.

    От  ТП 2 переходим к формулировке физического  противоречия.

    ФП. Мономер должен полимеризоваться, чтобы  обеспечить заполнение капилляров в  подложке, и не должен полимеризоваться, чтобы гарантировать качество последующей  пайки радиоэлементов.

    На  этот раз ТРИЗ предлагает использовать другой прием разрешения физических противоречий «разделить противоречивые требования в пространстве». Мономер  должен полимеризоваться в объеме (в  капиллярах) и не должен полимеризоваться вне объема (на поверхности). Для  нахождения конкретного решения  следует заглянуть уже в вузовский  учебник по химии полимеров. Оказывается, мономерные композиции с такими свойствами существуют.

    Итак, поставленная задача решена. Но, как  это бывает в реальной жизни, на пути от принципиального решения до работающей технологии пришлось сформулировать и  решить еще немало изобретательских задач. И очень удачным оказалось  то, что ТРИЗ-специалист и просто специалист в данном случае объединились в одном лице. Технология, названная  полимеризационным наполнением, оказалась  способной повышать уровень сопротивления  изоляции стеклотекстолита в печатных платах не в разы, а в сотни, тысячи и более раз со всеми вытекающими  из этого последствиями…

    Вот вам и изобретение, сделанное  при помощи ТРИЗ. И это не какое-то несущественное усовершенствование (бантик на фраке), а, по словам специалистов, прорыв в области технологии изготовления и влагозащиты печатных плат.  В максимальном объеме информацию о технологии полимеризационного наполнения можно получить на сайте. 
 
 

Разрешение  противоречий на примере  усовершенствования печатных плат

Задача «Измеряем диаметр провода»

   СИТУАЦИЯ:

   При проведении работ с электричеством нередко требуется измерить диаметр  электрического провода. Обычно измерение  проводят при помощи штангенциркуля или микрометра. Эти инструменты  дают вполне приемлемую погрешность  измерения – около 0,01 мм. А как  быть, если такого специального инструмента  под рукой нет? Профессиональным электромонтажникам известен простой  и остроумный способ, позволяющий  измерить сечение провода при  помощи подручных инструментов вроде  линейки. А что предложите вы?

   СИСТЕМНОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ:

   Провод  должен быть очень толстым, чтобы  измерить его толщину линейкой, и  провод должен быть тонким, потому что  таков он по своей природе.

   РЕШЕНИЕ:

   Возьмите  круглый стержень, гвоздь или обычный  карандаш. Намотайте на стержень несколько  десятков витков провода (виток к  витку) и плотно прижмите их друг к  другу. Теперь измерьте линейкой длину  намотки в миллиметрах и разделите  полученное значение на число витков в намотке. В результате вы получите довольно точное сечение провода.

   ИСПОЛЬЗОВАННЫЙ  ПРИЕМ:

   Принцип объединения

   КОММЕНТАРИЙ:

   Прием этот нехитрый и азбучный для любого специалиста, но не всегда очевидный  для непосвященного человека, далекого от электротехники. А вот можно  ли сделать такую систему измерения  провода идеальнее? Видимо, да. Идеальный  стержень для намотки провода  – тот, которого нет, а функция  его выполняется. Уберем стержень (карандаш) и осуществим намотку провода  прямо на линейку с делениями. Так мы сможем быстро определить толщину  намотки – линейка выполняет  сразу две функции.

   КАТЕГОРИЯ:

   Задача  на измерение. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Физическое  противоречие в задаче рассмотренное на примере

  Рассмотрим  ламповый усилитель. Катод радиолампы должен иметь постоянную термоэлектронную эмиссию (P₁). Однако применение переменного электрического тока (от трансформатора) для подогрева катода приводит к тому, что термоэлектронная эмиссия изменяется (P₂) в соответствии с частотой электрического тока: в громкоговорителе слышен фон (50 Гц), а это недопустимо.

  Требуемую функцию (постоянство термоэлектронной эмиссии) надо осуществить, не усложняя систему. Но при этом возникает техническое  противоречие, которое можно сформулировать в двух вариантах.

  ТП-1: Если для подогрева  катода применить  постоянный электрический  ток, то термоэлектронная эмиссия будет  постоянной, но при  этом усложняется  вся система (надо устанавливать выпрямитель).

  ТП-2: Если для подогрева  катода применить  переменный электрический  ток, то вся система  упрощается (не надо устанавливать выпрямитель), но термоэлектронная эмиссия не будет  постоянной и, следовательно, не обеспечится качество усилителя.

  Из  этих формулировок видно, что изменяемым параметром (см. рис. 6.3) является электрический ток.

  Из  этого ТП можно сформулировать следующее  ФП.

  ФП-1: Электрический ток  должен быть переменным, чтобы не усложнять  всю систему, и  он не должен быть переменным для обеспечения  постоянства электронной  эмиссии.

  Из  этого ФП можно сформулировать следующее  ИКР.

  Катод, который подогревается  переменным электрическим  током, сам обеспечивает постоянство электронной  эмиссии.