EN
Գրիգ Հղումներ
Կիսահաղորդիչների IC միկրոսխեմաները պետք է աշխատեն հուսալիորեն արդյունաբերական պայմաններում, որտեղ նրանք ենթարկվում են տարբեր ծայրահեղ պայմանների՝ ինչպիսիք են ջերմաստիճանի սրընթաց փոփոխությունները, անընդհատ թրթռոցները և էլեկտրամագնիսական աղմուկը, որը կարող է խանգարել սիգնալներին: Երբ այս միկրոսխեմաները ձախողվում են, ամբողջ արտադրական գծերը կանգ են առնում, կամ վնասվում են անվտանգության համակարգերը: Ինչպես ցույց է տվել Պոնեմանի ինստիտուտի անցյալ տարվա հետազոտությունը, յուրաքանչյուր դեպքի համար ընկերությունները միջինում կորցնում են մոտ $740 հազար: Ապահովելու համար, որ այս մասերը կարողանան աշխատել իրենց սպասվող ամբիոնաժի ընթացքում, արտադրողները դրանք ենթարկում են խիստ փորձարկումների, ինչպիսիք են բարձր ջերմաստիճանում աշխատանքային կյանքի և ջերմաստիճանի ցիկլային փորձարկման ստուգումները: Այս գործընթացները օգնում են համոզվել, որ մասերը կարող են աշխատել ավելի քան 100 հազար ժամ՝ նույնիսկ ամենածայրահեղ պայմաններում: Վերցրեք օրինակ ինտեգրված շրջաններ ավտոմոբիլային կարգավիճակը: Նրանք պետք է համապատասխանեն AEC-Q100 ստանդարտներին, ինչը նշանակում է, որ նրանք պետք է ունենան մեկ սխալված սարք՝ յուրաքանչյուր մեկ միլիոն արտադրված սարքերից, և սա պետք է պահպանվի ավտոմեքենաների առնվազն 15 տարվա սպասարկման ընթացքում:
Արդյունաբերական համակարգերը, որպես կանոն, պահանջում են 10–15 տարվա ծառայողական ընթադարձություն, որը զգալիորեն գերազանցում է սպառողական էլեկտրոնիկայի 3–5 տարվա ցիկլը: Այնուամենայնիվ՝ 2022 թվականին արդյունաբերական ընկերությունների 40%-ը ենթարկվել է անսպասելի կոմպոնենտների դդումի, քանի որ արտադրողները հանել են շրջանառությունից ավելի հին կիսահաղորդչային հանգույցները (IHS Markit): Հնացման ռիսկերը նվազեցնելու համար ինժեներները պետք է՝
Առաջատար արդյունաբերական ավտոմատացման մատակարարը 12 տարվա ընթադարձում հասել է 98,7% ճանապարհի վստահության՝ օգտագործելով երկու աղբյուրից արտադրված 40նմ MCU-ներ: Հիմնական ռազմավարություններից էին՝
| Ստրատեգիա | Արդյունքը |
|---|---|
| Որակավորում MIL-STD-883 համաձայն | ջերմաստիճանի հետ կապված անսարքությունների 62%-ով պակաս |
| Բազմաշերտ պատվաստում | 12 րոպե տևող անցումային ռեժիմ լարման անկման ընթացքում |
| Դիել մակարդակի այրման փորձարկում | Վաղ ստադիայում թերությունների հայտնաբերում (<50 ppm) |
Այս մոտեցումը ամեն մեկ արտադրային գծի համար տարեկան կրճատել է անպլանավոր դադարը 210 ժամով
IC-ների դադարեցման պատճառով թանկարժեք վերակառուցումներից խուսափելու համար Տիեր-1 մատակարարները խորհուրդ են տալիս՝
Արդյունաբերական կիսահաղորդչային IC չիպերը պետք է պահպանեն լարման մակարդակը մոտավորապես ±5%-ի սահմաններում, երբ բեռի փոփոխությունները կարող են հասնել նոմինալ արժեքի 150%-ի: Վերցրեք, օրինակ, ավտոմատացված արտադրամասերում օգտագործվող շարժիչների կառավարման IC-ները: Այս կոմպոնենտները պետք է ապահովեն հաստատուն հոսանք՝ նույնիսկ այն դեպքում, երբ բեռի պահանջները կտրուկ փոխվում են: Հակառակ դեպքում սիգնալի դեֆորմացիան կարող է գերազանցել 3% ընդհանուր հարմոնիկ աղավաղումը (THD): Այս տեսակի դեֆորմացիան իրականում կարող է խանգարել կարևոր կոմունիկացիոն համակարգերին, ինչպիսին է CAN ավտոբուսի պրոտոկոլը, որի վրա հիմնվում են շատ արդյունաբերական սարքեր:
Արդյունաբերական պայմաններում ջերմաստիճանները հաճախ գերազանցում են 125 աստիճան Ցելսիուս, ուստի ինտեգրված սխեմաները պետք է կարողանան դիմակայել ավելի քան 150°C անցման ջերմաստիճանների՝ ճիշտ աշխատելու համար: Անցյալ տարվա վերջերս կատարված հետազոտությունները ցույց են տվել, որ 0.3 միլիմետր տրամագծով և 8-ից 1 հարաբերականությամբ ջերմային վիաներ օգտագործող տպագրված շղթայային տախտակները ջերմային դիմադրությունը նվազեցրել են մոտ մեկ երրորդով՝ համեմատած սովորական տախտակների դասավորության հետ: Այս տեսակի նախագծային բարելավումները ավելի ու ավելի կարևոր են դառնում ծրագրավորելի տրամաբանական կառավարիչների համար, որոնք աշխատում են այնպիսի բարձր ջերմաստիճանների պայմաններում, ինչպիսիք են պողպատի արտադրության գործարաններում, որտեղ ջերմության կառավարումը կարող է նշանակել վստահելի աշխատանքի և սարքավորումների ձախողման տարբերությունը:
Արդյունաբերական IoT սարքերում դինամիկ էներգաօպտիմալացումը կարևոր նշանակություն ունի: 1,2 Վ-ով աշխատող 40 նմ ՄԿՆ ժամանակային դադարման տեխնիկայի միջոցով կարող է նվազեցնել ակտիվ կորուստները 58%-ով: Մինչդեռ 28 նմ հանգույցներում ստատիկ էներգասպառումը աճում է էքսպոնենտային ձևով 85°C-ից վերև, հաշվարկվում է ամբողջ էներգաօգտագործման 23%-ը մշտական աշխատող սենսորային հանգույցներում:
Նախագծողները արդյունավետությունը բարձրացնում են՝ միավորելով լարման իջեցումը (մինչև 0,95 Վ) հարմարեցված հաճախականության կարգավորման հետ: Այս մոտեցումը պահպանում է գագաթնային արդյունավետության 92%-ը՝ նվազեցնելով էներգակորուստը 41%-ով, ինչը հաստատված է ավտոմատացված փորձարկման սարքավորումներում, որոնք աշխատում են 200 ՄՀց հիմնական հաճախականությամբ:
Արդյունաբերական էլեկտրոնիկայի աշխարհում ընկերությունները, որպես կանոն, կպչում են 40 նմ-ի և 65 նմ-ի նման ավելի հին կիսահաղորդչային արտադրության գործընթացներին՝ փոխարենը անմիջապես անցնելու ամենավերջին տեխնոլոգիաներին (7 նմ-ից ցածր ցանկացած բան): Ինչո՞ւ: Որովհետև այս հին տեխնոլոգիաները ժամանակի ընթացքում ապացուցել են իրենց հուսալիությունը և ամբողջ կյանքի տևողության ընթացքում ստանում են ճիշտ աջակցություն: 2025 թվականի տվյալները այս միտումը պարզ ցույց են տալիս. մոտ յոթ արդյունաբերական նշանակության ինտեգրված սխեմաներից (ASIC) տասնյակից յոթը ստեղծված են 28 նմ-ից մեծ կամ հավասար տրանզիստորների վրա: Հիմնական պատճառը նրանում է, որ այս գործընթացները սովորաբար ստանում են միկրոսխեմաներ՝ սխալների մակարդակով, որը հստակ 0,1%-ից ցածր է: Իհարկե, ավելի նոր տրանզիստորները իսկապես ավելի քիչ էներգիա են օգտագործում, ինչը թղթի վրա հիանալի թվում է: Բայց այստեղ մի խնդիր կա: Դրանք ընդհանրապես վատ են կառավարում ջերմությունը: Գործարաններում, որտեղ ջերմաստիճանները կարող են բավականին բարձր լինել, այս ավանդական միկրոսխեմաները տառապում են ջերմային արտահոսքի խնդիրներից և շատ ավելի արագ են մաշվում իրենց հին նմանների համեմատ:
Հիմնական կիսահաղորդչային հանգույցների եկամտաբերությունը հաճախ գերազանցում է 98%-ը, ինչը զգալիորեն ավելի լավ է, քան սովորական 75-ից 85% տիրույթը՝ որը տեսնում ենք այս ենթա-10նմ արտադրության գործընթացներում: Այս տարբերությունը փաստացի թարգմանվում է արտադրության ծախսերի իրական խնայողության և ապահովում է ավելի կայուն մատակարարման շղթա: Երբ դիտարկում ենք անսարքությունների դրույքները իրական շահագործման ընթացքում, 40նմ ինտեգրված սխեմաները սովորաբար ցուցադրում են մոտ 15 անսարքություն մեկ միլիարդ ժամ շահագործման ընթացքում: Սա շատ հիանալի ցուցանիշ է՝ համեմատած ավելի բարդ հանգույցների հետ, որոնք նույն շահագործման պայմաններում ցուցադրում են մոտ 120 FIT: Այս վստահելիության տարբերության պատճառը հետևյալն է. հիմնական հանգույցներն ունեն ավելի պարզ տրանզիստորների կառուցվածք և արտադրության ընթացքում ավելի քիչ տատանումներ, ինչը գործնականում դրանք ավելի վստահելի դարձնում է:
| Պակետի տիպ | Ջերմային դիմադրություն (°C/Վտ) | Առավելագույն շահագործման ջերմաստիճանը | Արդյունաբերական կիրառություն |
|---|---|---|---|
| QFN | 35 | 125°C | Շարժիչի կառավարման IC-ներ |
| BGA | 15 | 150°C | Ռոբոտաշինության համար FPGA |
| TO-220 | 4 | 175°C | Էլեկտրաէներգիայի կառավարում |
Կերամիկական պակեթները, ինչպիսին է BGA-ն, 5 անգամ լավ ջերմադիսիպացիա են ապահովում, քան պլաստիկ QFN-ները, ինչը դրանք դարձնում է իդեալական թրթռումների հակված կիրառությունների համար, ինչպիսիք են նավթի և գազի սենսորները:
Առաջատար արդյունաբերական սարքավորումների արտադրողը 40%-ով կրճատեց արտադրության անսարքությունները՝ 40նմ MCU-ները համատեղելով ջերմային բարելավված BGA-ների հետ՝ 28նմ չիպերը QFN պակեթներում օգտագործելու փոխարեն: Լուծումը ապահովեց 12 տարվա շահագործման ժամկետ և հանդուրժեց ավելի քան 10,000 ջերմային ցիկլ, ինչը ցույց տվեց, թե ինչպես է ռազմավարական հանգույց-պակեթի ինտեգրումը բարձրացնում հուսալիությունը պահանջկոտ արդյունաբերական պայմաններում:
Արդյունաբերական պայմաններում ընկերություններին հաճախ անհրաժեշտ են սպառված նպատակների համար նախատեսված ինտեգրված սխեմաներ, որոնք կարողանում են հաղորդակցվել հատուկ մարտահրավերների հետ, ինչպիսիք են աշխատանքը -40 աստիճան Ցելսիուսից մինչև 150 աստիճան ջերմաստիճանների տիրույթում, ինչպես նաև դիմադրել հարվածներին և աշխատել տարբեր հաղորդակցման պրոտոկոլների հետ: Վերցրեք օրինակ էներգացանցի կառավարիչները՝ դրանք սովորաբար պահանջում են ամրացված ինտեգրված սխեմաներ, որոնք սխալները ուղղող հիշողությամբ են ապահովված: Մինչդեռ ռոբոտները սովորաբար կախված են իրական ժամանակում մշակող պրոցեսորներից, որտեղ պատասխանման ժամանակը մնում է 50 միկրովրկյանից ցածր: Կոմպոնենտների և նրանց նախատեսված ֆունկցիաների ճիշտ համապատասխանությունը նվազեցնում է արդյունաբերական IoT-ի իրականացման ընթացքում ծախսարդյունավետ վերակազմակերպման աշխատանքների անհրաժեշտությունը: 2023 թվականի ներդրված համակարգերի վերջին զեկույցը ցույց է տալիս, որ այս ճիշտ համաձայնեցումը խնայում է վերամշակման վրա այլապես ծախսվող միջոցների մոտ երրորդ մասը:
SoC լուծումները ամեն ինչ միասին են տեղավորում՝ պրոցեսորներ, անալոգային առաջային մասեր, սնուցման կառավարում մեկ չիփում: Սա նվազեցնում է տախտակի տեղը 40-ից մինչև 60 տոկոսով, ինչը բավականին հիանալի է: Բայց այստեղ կա մի թերություն. դրանց մշակման համար անհրաժեշտ է մոտ 18-ից 24 ամիս: Ի տարբերություն դրա, տարանջատված IC-ները թույլ են տալիս ինժեներներին առանձին մոդերնացնել բաղադրիչները, ինչը շատ կարևոր է, երբ գործ ունենք հին սարքավորումների հետ: Ճիշտ է, դրանք BOM ծախսերում մոտ 25% ավելի թանկ են, սակայն արտադրողները իրենց արտադրանքները շուկայում հայտնվում են մոտ 50% ավելի արագ: Անցյալ տարվա արդյունաբերական տվյալների հիման վրա նայելով՝ ավելի քան կեսը (իրականում 63%) CNC սարքավորումների վերականգնումների դեպքում օգտագործվել են տարանջատված մասեր: Դա տրամաբանական է, քանի որ շատ արտադրամասեր դեռևս պետք է աշխատեն արդեն առկա սարքավորումների և ծրագրային ապահովման հետ:
Չնայած արդյունաբերական դասի IC-ների միավորի գները տատանվում են 8,50 դոլարից (28 նմ MCU) մինչև 220 դոլար (ճառագայթման դիմացկուն FPGA), սակայն ընդհանուր սեփականության արժեքի մեջ ներառվում է որակավորման փորձարկումը (միջինում 740 հազար դոլար, ըստ Ponemon 2023-ի) և երկարաժամկետ կյանքի ցիկլի աջակցություն: Արդյունաբերական վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ IC-ների օպտիմալ ընտրությունը կրճատում է կյանքի ցիկլի ծախսերը 22%-ով՝