Введение. 1. Назначение и роль дисциплины в общей подготовке инженера

1. Назначение и роль дисциплины в общей подготовке инженера.

Научно-технический прогресс прежде всего связан с разработкой и использованием новых более совершенных материалов. Это особенно справедливо для радиоэлектроники, одной из наиболее быстро развивающейся области техники. Такие параметры как надёжность, чувствительность, избирательность, быстродействие, верхний и нижний предел допустимых при эксплуатации температур, стойкость к вибрации, ионизирующим излучениям и др. важнейшие параметры радиоэлектронных приборов в конечном итоге определяются не столько конструкцией или эл. схемой, сколько использованием в них материалов.

Качественный скачок в развитии радиоэлектроники возможен лишь за счёт новых материалов или новых физических принципов использования известных материалов. Например, внедрение в 50-х годах ферритов позволило создать переносные радиоприёмники, ЭВМ с большим объёмом памяти и др. устройства. Подлинная революция в радиоэлектронике произошла в 60-х годах, когда началось широкое внедрение полупроводников. 70-е годы характеризуются широким использованием сверхпроводников и активных диэлектриков.За последние годы в производстве электронной аппаратуры произошли большие изменения. Электронную аппаратуру стали изготавливать с применением полупроводников новейших марок, ферритов. Всё шире получают распространение методы молекулярной электроники, позволяющие использовать в аппаратуре тонкие плёнки и твёрдые схемы.

Использование электронных ламп в качестве основных элементов схем постепенно сокращается, происходит переход к макро и микроэлектронике. Развитие микроэлектроники вызвано расширением круга функций, выполняемых электронной аппаратурой, уменьшением объёма и веса устройств. При микроминиатюризации электронных схем значительно повышается плотность монтажа деталей в единице объёма.

См. таблицу.

Таблица

Тип схемы	Число элементов (деталей) в 1 см^3
Схемы с навесным монтажом Микромодули Плёночные схемы Твёрдые схемы	0,1-1,0 5- 15 50-200^* 100-2000

*) Теоретически возможная плотность расположения элементов в памяти на плёнках марганец-висмут – 10⁵ в см³.

Переход к миниатюризации приводит к снижению затрат сырья, материалов и производственных площадей. Микроэлектронные устройства более устойчивы против ударных и вибрационных нагрузок, т.к. создаваемые ускорениями силы пропорциональны массе, а силы внутреннего напряжения пропорциональны поперечному сечению. Микроминиатюрные конструкции позволяют при меньшем объёме устанавливать аппаратуру большей мощности и эффективности.

Производство электронных средств, в особенности микросхем и микропроцессоров, в настоящее время переживает бурный подъем. Резко улучшились основные технические характеристики микроэлектронных устройств, в первую очередь быстродействие и энергопотребление. Номенклатура выпускаемой продукции непрерывно расширяется, возникают новые направления такие, как нанотехнология и микросистемотехника. Современному инженеру-технологу электронных средств все сложнее ориентироваться в новых технологических методах и конструктивных решениях. Помочь ему в этом может знание физико-химических основ технологии электронных средств.

К микроэлектронным устройствам в настоящее время относят целый ряд изделий микроэлектроники – пленочные и полупроводниковые микросхемы, микропроцессоры, микросборки и устройства функциональной микроэлектроники. Наиболее широко распространены микросхемы, использующиеся в большинстве своем как интегральная элементная база изделий различной сложности, однако могут использоваться и как самостоятельные устройства, отрабатывающие весь комплекс приема, коммутации, обработки информации, выдачи конечного результата

Последние исследования в области проектирования и технологии элек-тронных средств показывают, что в отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей. На протяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и быстродействия микроэлектронных приборов достигалось увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, состоящая в том, что квантовые эффекты (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты) оказывают определяющее влияние на физические процессы в наноструктурах и функционирование приборов на их основе.

Создание таких наноструктур с принципиально новыми свойствами требует и новых технологий, которые получили название нанотехнологий. Нанотехнологии стали активно развиваться в последние 10 - 15 лет и к настоящему времени ученым удалось добиться немалых успехов. Развитие нанотехнологий идет по нескольким направлениям: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размеры которых сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление микро- и наномашин, то есть механизмов и роботов, размеры которых порядка нескольких молекул (микросистемотехника); модификация поверхности твердотельных объектов посредством манипуляции отдельными атомами и сборка из них наноструктур. Реализация всех этих направлений уже началась. Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлек-тронные элементы. По оценкам специалистов, уже в ближайшее десятилетие начнется производство наноэлектронных чипов, например, микросхем памяти емкостью в десятки гигабайт.

Технологическое решение всех этих задач возможно на основе двух подходов. В первом из них используют групповые технологии создания объектов нанометровых размеров с помощью традиционных методов осаждения тонких пленок и литографии. Групповые технологии осаждения пленок характеризуются особенностями, существенно ограничивающими возможности создания структур нанометровых размеров. Из-за одновременного осаждения пленки на различные участки поверхности подложки возникают зерна, дислокации и другие структурные дефекты. Применение методов эпитаксии позволяет преодолеть данные недостатки, однако из-за высокой температуры эпитаксиальных процессов (необходимой для повышения поверхностной миграции атомов) практически исключается возможность получения структур нанометровых размеров.

Другой подход реализации нанотехнологических процессов основан на проведении локальных атомно-молекулярных взаимодействий с помощью сканирующего туннельного микроскопа, а также атомно-силового или ближне-польного оптического микороскопов. Сканирующий туннельный микроскоп, созданный в 1981 г. немецкими учеными Биннигом и Рорером как инструмент для исследования поверхности на атомарном уровне, позволяет осуществлять перемещение и установку зонда в любую точку вблизи поверхности объекта, причем положение зонда относительно поверхности подложки может быть установлено с высокой точностью. Основным узлом таких нанотехнологических установок является нанореактор, формируемый между вершиной зонда и обра-батываемой поверхностью. В процессе локального воздействия на поверхность объекта электрического и магнитного полей направленным образом трансфор-мируются межатомные и межмолекулярные связи вещества подложки и технологической среды. В результате образуются новые структурные композиции вещества: кластеры молекул, локальные образования нового вещества, композиции органических веществ с неорганическими и так далее. Так формируются нужные объекты с нанометровыми размерами. Кроме этого, сканирующая туннельная микроскопия позволяет обеспечить захват отдельных атомов, перенос их в новую позицию на поверхности подложки, атомарную сборку проводников шириной в один атом, локальные химические реакции и так далее.

Осуществление атомных манипуляций в массовом масштабе, пригодном для производства, требует преодоления многих сложностей: необходимости использования криогенных температур и сверхвысокого вакуума, низкой производительности, надежности и воспроизводимости результатов. Гораздо больших успехов зондовые методы достигли в нанолитографии – «рисовании» на поверхности различных наноструктур с характерными размерами в десятки нанометров. Ближе всего к практическим приложениям подошли процессы трех типов: химического окисления поверхности, индуцируемого движущимся зондом; осаждения наноостровков металла на поверхность за счет скачка напряжения на зонде; контролируемого формирования острием зонда на поверхности наноцарапин. Минимальные размеры элементов, создаваемых этими способа-ми, составляют около 10 нм, что позволяет в принципе осуществлять очень плотную запись, но производительность и надежность оставляют желать луч-шего. Решение проблемы возможно с помощью специальных зондовых матриц.

Кроме наноэлектроники, на основе нанотехнологий активно развиваются и другие направления: микро- и наноробототехника, позволяющая создать миниатюрные исполнительные механизмы с быстродействием в миллионы раз выше существующих и более сложные робототехнические системы с распределенными механическими устройствами; интегральная нанооптоэлектроника, позволяющая создать солнечные элементы с очень высоким КПД, све-тодиоды и лазеры с перестраиваемым спектром излучения от инфракрасного до ультрафиолетового, а также другие функциональные оптические приборы.

Многообещающим является также создание наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и переработки ин-формации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная электроника). Природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные. Зачем разрабатывать и производить искусственные структуры из отдельных атомов при наличии готовых строительных «блоков»? Тем более, что они имеют оптимальную конфигурацию, структуру и нанометровые размеры. Молекулярная электроника входит составной частью в более крупную отрасль - нанобиотехнологию, занимающуюся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровнях и держащую ключи к решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства, национальной обороны и безопасности.

Внимание к развитию нанотехнологий в настоящее время во всем мире очень велико. Так, в США действует программа «Национальная нанотехнологическая инициатива». Евросоюз принял рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Серьезные успехи достигнуты в Японии, где работы в области нанотехнологий ведутся очень давно. В России существует несколько программ по нанотехнологиям («Низкоразмерные квантовые структуры», «Наноматериалы и супермолекулярные системы», «Ультрадисперсные наноматериалы и нанотехнологии»). Ряд важных исследований осуществляется в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база». Согласно оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. По многим прогнозам именно развитие нанотехнологий определит облик XXI века, подобно тому, как открытие атомной энергии, изобретение лазера и транзистора определили облик XX столетия.

Разумеется, это не означает, что изложенные в данном учебном пособии технологические методы потеряют свою актуальность, а производство интегральных микросхем и микропроцессоров резко сократится. Еще долго традиционная технология будет существовать совместно с нанотехнологией, хотя и не исключено, что наноэлектронные приборы смогут в будущем значительно «потеснить» существующие микроэлектронные устройства, как в свое время полупроводниковые транзисторы и диоды повсеместно вытеснили из большинства радиоэлектронных приборов и систем электронные лампы.

В настоящее время в это понятие вкладывают и уровень микротехнологий, позволяющих в небольшом объеме реализовать сложнейшие функции обработки, хранения и коммутации информации, Технология дает возможность в таком варианте выполнить комплексную микроминиатюризацию электронной аппаратуры связи, автоматики, вычислительной техники с высокой степенью надежности, низким энергопотреблением.

Изготовление молекулярных функциональных блоков возможно и целесообразно только в полностью автоматизированном производстве, т.т. физические свойства тонких плёнок, получаемых осаждением в вакууме зависят, в основном, от технологии изготовления. Следовательно, технология производства является определяющим фактором при выборе схемы и конструкции узлов и блоков микроэлектронной аппаратуры.

С развитием микроэлектроники совершенствуются и разрабатываются принципиально новые технологические процессы: вакуумное напыление, прошивка отверстий в несколько микрон на ферритных платах. Методы электронной технологии основаны на ориентации частиц в сильном электрическом поле, точном нанесении изображений на платы.

В будущем при производстве сверхбольших интегральных схем будет применён комплекс, основанный на использовании управляемых ионных и электронных пучков вместо существующих методов диффузии и фотолитографии.

Параметры технологического процесса, как правило, зависят от свойств обрабатываемого материала. Таким образом, свойства обрабатываемого материала являются определяющим фактором при выборе технологического процесса и его параметров.

В связи с развитием микроэлектроники возникла необходимость освоения новых характеристик материалов, новых профилей и новых типов тонких плёнок. Например, при описании магнитных свойств сплошных массивных образцов ферромагнетиков применяют следующие характеристики: Начальная и максимальная магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, индукция остаточная и насыщения. При описании магнитных плёнок используют такие характеристики: энергия индуцированной анизотропии, поле анизотропии, граничная коэрцитивная сила и коэрцитивная сила.

Электронная аппаратура должна обладать высокой надёжностью в работе. Для этого необходимо, чтобы принципиальная схема и конструкция были разработаны рационально. Во-вторых, при изготовлении аппаратуры данные проекта должны быть воспроизведены с высокой точностью.

Вторая задача, выполняемая на производстве, может быть успешно решена при взаимозаменяемости элементов аппаратуры по их геометрическим и физико-химическим параметрам.

Физико-химические параметры элементов определяются свойствами материалов. Таким образом, и при достижении высокой надёжности аппаратуры в работе огромное значение имеют материалы.

Предмет материаловедения тесно сопряжён с такими науками как физика твёрдого тела, химия и кристаллохимия материалов, электротехника, технолгия стекла и керамики и мн. др. Сам термин «материаловедение» появился примерно в 50-60-е годы в связи с чрезвычайно возросшим значением решения проблем создания новых материалов и изучением их свойств. Однако сама наука, по существу зародилась одновременно с цивилизацией человечества. Действительно, даже название ранних эпох связаны с материалами, которые в ту пору были в употреблении, например, Каменный век, бронзовый век и т.д. Темпы развития ранней цивилизации определялись, главным образом, уровнем производства и обработки металлов. Конечно было бы преувеличением утверждать, что прогресс в выплавке металлов был достигнут древними благодаря их знаниям физики металлов; едва ли можно говорить и о том, что эти работы носили научный характер.

Существенное значение для развития металлургии чугуна и стали имели работы М.В.Ломоносова, Белла, Л. Грюнера, М.А.Павлова, А.А.Байкова, И.П.Бардина и др. Наши соотечественники П.П.Аносов и Д.К.Чернов в 19 веке заложили основы металловедения – науки о структуре и внутреннем строении металлов и сплавов. Металловедение и смежные с ней науки располагают данными об атомном строении металлов и сплавов и природе внутренних связей в них. На основе этих данных разработаны методы термической (тепловой) обработки металлов и сплавов, изменяющей их физические и механические свойства в нужном направлении.

С развитием методов выплавки металлов из руд и других исходных материалов совершенствовалась технология обработки металлов. К технологическим способам обработки металлов относят литейное производство, обработку давлением (прокатку, волочение, ковку, штамповку, прессование), сварку и огневую резку, термическу. Обработку, обработку резанием и различные виды электрофизических и электрохимических, ультразвуковых, лазерных и др. способов размерной обработки металлов. Новые прогрессивные способы обработки материалов применяют при создании машин и механизмов с использованием конструкционных материалов, обработка которых обычными методами либо затруднена, либо экономически нецелесообразна, либо невозможна.

Использование пластических масс и других неметаллических материалов в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов позволила повысить долговечность и эксплуатационную надёжность многих деталей и узлов машин и установок, снизить массу конструкции, сэкономить дефицитные цветные металлы и сплавы, а также снизить стоимость и трудоёмкость их обработки.

По существу, на ранних этапах развития науки – материаловедение прогресс был связан с практическим применением химии. Вплоть до недавнего времени (примерно до 30-х годов) химики вносили гораздо больший вклад в науку о материалах, чем физики. Первые успехи материаловедения связаны с изучением химической природы твёрдых тел, открытием методов очистки, разработкой рентабельных технологических процессов.

Реальные успехи физики в изучение материалов были достигнуты после развития современной атомной теории – квантовой механики, которая к 1930 году привела к удовлетворительному пониманию строения атома. В это время происходит глубокий пересмотр многих представления и широким фронтом развёртываются физические исследования твёрдого тела. В этих работах используются представления об орбитах электронов и природе сил связи между атомами твёрдых тел. В итоге, уже к концу 30-х годов была построена теория, которая представляла замечательный синтез общих свойств тв. тела с физической точки зрения. Вслед за тем была создана стройная схема, которая, по крайней мере, в принципе объясняла такие явления и свойства, как электропроводность в металлах, основные различия между металлами и изоляторами, теплоёмкость ТВ. тел и их оптические свойства. Это важнейшее обобщение охватывало объёмные (усреднённые) свойства чистых идеальных кристаллов.

Работы, положившие начало второму направлению современной физики твёрдого тела, появились в конце 30-х годов; особенно энергично они развиваются после 1945 г. Это направление связано с исследованием несовершенств кристаллической структуры и изучением их влияния на физические свойства тв. тел. Например, предел прочности твёрдого тела зависит главным образом, от нарушений расположения атомов. Эти нарушения называются дислокациями. Аналогично, электрические свойства полупроводников зависят от мельчайших количеств определённых примесей. Современные исследования в физике твёрдого тела делятся примерно в равной пропорции между двумя направлениями: 1). Дальнейшее изучение свойств совершенных

(идеальных) твёрдых тел и 2). Исследование неидеальных твёрдых тел

(с несовершенствами). Пример современных исследований в первом направлении – работы по сверхпроводимости; во втором - изучение диффузии атомов.

Далее см. стр.5,6.

К любой конкретной задаче можно подойти двумя путями. Один из них — эмпирический: решение ищется методом последовательных приближений. Многие технические задачи решаются именно таким образом. Однако при таком подходе решение поставленных проблем растягивается порой на многие годы. Так обстояло дело в древности при разработке выплавки металлов. Таков был основной метод работы, применявшийся с большим успехом Эдисоном и другими изобретателями XVIII и XIX веков.

Для решения практических инженерных задач вплоть до недавнего времени применялся почти исключительно эмпирический метод. Его успешное применение требует высокоразвитой интуиции и широкого практического опыта. Необходимо также некоторое знание основных процессов, играющих роль в данной проблеме, но обычно достаточно понимания лишь качественной стороны явления. Для решения простых задач повседневной инженерной практики этот метод, несомненно, является простейшим и наиболее эффективным.

Тем не менее некоторые проблемы слишком сложны, и их нельзя решить с помощью чисто эмпирических приемов. Для таких задач должен был применен более систематизированный подход. Предположим, например, что возникла в общем виде проблема проектирования сердечников для трансформаторов с максимальным возможным коэффициентом полезного действия. Существует бесконечное разнообразие различных сплавов, которые пришлось бы перепробовать при использовании только эмпирического подхода. Поэтому попытка действовать в этом направлении неизбежно оказалась бы весьма убыточной. Методически правильнее сначала ознакомиться с основными законо­мерностями намагничивания твердых тел и с причинами потерь энергии, обусловленных петлей гистерезиса. При удовлетворительном понимании этих основных явлений труд, необходимый для подбора сплава с нужными свойствами, уменьшится во много раз. Научный подход обладает еще одним дополнительным преимуществом. Знание общих закономерностей, изученных в процессе решения конкретной задачи, очень часто может пригодиться и для более широкого круга вопросов, которые были бы недоступны при использовании эмпирического метода.

У некоторых может легко возникнуть неверное представление о приложении научного метода к техническим задачам. Очень немногие технические проблемы можно полностью решить с помощью чистой науки, поскольку ее методы связаны с систематическим упрощением природных процессов и явлений. Поэтому конкретные расчетные задачи, возникающие при производстве технических продуктов и изделий, например, теплостойкого сплава или высокочастотного транзистора, следует решать традиционными инженерными методами. Самое главное в том, что научные исследования составляют важнейшее звено в тесно связанной цепи: исследователь, работающий в области «чистой науки»,— инженер, занятый усовершенствованием технологии производства,— инженер-проектировщик. Именно в такой последовательности идет сейчас развитие промышленности.

Использование преимуществ тесной связи между чистой и прикладной науками является сравнительно недавним достижением нашего времени. Сейчас для новых научных открытий характерно их быстрое практическое применение. Разрыв между открытием природы электромагнитных волн и практическим применением радио составил около тридцати лет, тогда как использование полупроводников в промышленных приборах началось уже через несколько лет после создания первого транзистора.

Таковы условия, в которых работают современные инженеры. Для приложения научных методов к решению практических задач необходим быстрый двухсторонний обмен информацией между научными работниками и инженерами, работающими в прикладных отраслях. Инженер должен иметь достаточно полное представление об основных принципах того явления, с которым он имеет дело. Это важно по двум причинам. Во-первых, инженер должен уметь находить общий язык с другими специалистами по широкому кругу прикладных и чисто научных вопросов и принимать самое деятельное участие в процессе развития промышленности. Вторая причина логически вытекает из первой. Непрерывно возрастающие темпы технического развития приводят к тому, что инженер, обладающий узкой подготовкой для работы только в данной конкретной области, теряет квалификацию через 10- -15 лет (в зависимости от его специальности). Современный инженер может, таким образом, ожидать, что в пределах указанного периода времени вся область его работы испытает коренные изменения. Поэтому он должен обладать достаточно фундаментальными знаниями, лежащими в основе любых прикладные вопросов. Тогда он сможет приспособиться к использованию новых процессов, включающих новую группу научных принципов.

Предлагаемый курс материаловедения имеет цель дать основу для получения более углублённых знаний в последующей деятельности инженера

Дата добавления: 2014-01-13