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先進電子設計和制造技術的發展
2010-03-30
                    龍緒明、詹明濤等   本文論述了先進製造技術,探討現代電子設計技術和電子製造技術的理論及方法,探討電子組裝技術、微電子組裝技術和光電子組裝技術的最新發展。   

    

 

 

 

  當今世界隨市場競爭的日益加劇以及全球化市場的形成,先進製造技木已成為一個國家在市場競爭中或戰場對抗中獲勝的支柱,先進製造技術的水平已成為一個國家綜合實力和科技發展水平及國防實力的重要標誌之一。改革開放後的短短十余年的發展,中國就已經成為全球最大的電子產品製造基地,改變了世界電子工業的格局。

 


1 先進製造技術


1.1 先進製造技術體系


  近兩百年來,在市場需求不斷變化的驅動下,製造業的生產規模沿“小批量,少品種”向“大批量,多品種變批量”的方向發展。在科學技術高速發展的推動下,製造業的資源配置沿“勞動密集→設備密集→信息密集→知識密集”的方向發展。與之相適應,製造技術的生產方式沿“手工→機械化→單機自動化→剛性流水自動化→柔性自動化→智能自動化”的方向發展。

 


  先進製造技術AMT(AMT,Advanced Manufacture Technology)的概念源於20世紀80年代,它是指在製造系統中融合電子、信息和管理技術以及新工藝、新材料等現代科學技術,使材料轉換為產品的過程,以更有效和更低成本來滿足市場需求的先進的工程技術的總稱。圖1.1是美國機械科學研究院提出的先進製造技術體系,該體系強調了先進製造技術從基礎製造技術、新型製造單元技術到先進製造集成技術的發展過程。第一個層次是優質、高效、低耗、清潔生產的基礎製造技術,以及各種與產品設計有關的基礎技術和現代管理技術;第二個層次是新型製造技術;第三個層次是實現先進製造系統集成技術。

 

  

 

圖1.1 先進製造技術體系

 


  先進製造技術是傳統製造技術的最新發展,其概念超越了傳統製造技術界限,表1.1為傳統製造技術與先進製造技術的區別。

  

 


1.2 先進電子製造技術


  電子製造產業大致可分為以下幾個層次環節:電子材料製造業→電子元器件製造業→電子最終產品製造業→電子服務業。電子製造也有廣義和狹義之分,廣義的電子製造包括電子產品從市場分析、經營決策、工程設計、加工裝配、質量控制、銷售運輸直至售後服務的全過程。狹義的電子製造則是指電子產品從硅片開始到產品系統的物理實現過程。

 


  電子製造技術是一項集當今世界最先進科技成果於一體的綜合性交叉式邊緣學科,是一個極其龐大和複雜的系統工程和綜合技術。先進電子製造技術是對一系列高技術思想和方法的總稱,一般認為包括三大技術群:主體技術群、支撐技術群和管理技術群,如表1.2所列。

 

   

 

表1.2 先進電子製造技術的主要內容 

 

 


2 現代設計技術的發展


  創新是一個民族進步的靈魂,是國家興旺發達的不竭動力。當前,電子產品的國際競爭日益激烈,要保持和發展我國電子產品在世界市場中的份額,關鍵在於儘量擺脫“抄襲、模仿”設計的落後局面,迅速提升和增強我國電子產品的創新設計能力。現代設計技術的發展歷程如表2.1所列。

 

 

表2.1 現代設計技術的發展歷程

 


  現代設計技術的主要內容包括:計算機輔助設計、計算機輔助工程分析、模塊化設計、優化設計、可靠性設計、智能設計、動態設計、人機工程設計、並行設計、價值工程、創新設計、反求工程設計、虛擬設計、全生命週期設計等。

 


2.1 計算機輔助設計


  現代電子設計自動化EDA(Electronic Design Automatic)具有系統的、設計過程一體化的設計思想,是以邏輯綜合為主體的概念驅動工程和基於概念的高層設計,不需要繪製電路的設計圖。現代電子EDA設計方法中最重要的是自上而下的並行設計,可將模塊化設計、優化設計、可靠性設計、並行設計、價值工程、虛擬設計等現代設計方法集成到一體化軟件中。目前,國際上第三代EDA主流軟件見表2.2。
 

 

 

表2.2 第三代主流EDA軟件

 

 

     

  基於PC電路設計常用EDA軟件,包括PROTEL、ORCAD、PowerPCB、EWB等等,主要用於印刷電路板的佈局佈線設計和幾千門級的集成電路版圖設計。近幾年,可製造分析工具軟件發展迅速,如CAM350、GC-PowerPlace-DFM等等,使用行業中最完整和可定制的規則設置,做到產品設計與工藝能力的匹配。

 


2.2 並行工程


  並行工程是集成、並行地設計產品及其相關過程(包括製造過程和支持過程)的系統方法。並行工程是一種哲理、一種系統工程方法,也是一種工作模式,如圖2.1所示。

 

 

圖2.1 並行工程內涵及其應用

 

 


  並行工程中“並行”的概念主要是指在設計階段將有關生產研製週期的各部門的工程技術人員集中起來,共同設計產品及其他有關過程。在組織方面,並行工程打破了傳統的按部門劃分的組織模式,組成以產品開發為物件的產品開發團隊。在技術方面,並行工程不僅包含、繼承了許多傳統的CIMS技術,而且還提出了一些新技術。並行工程的主要特性包括並行性、整體性、協作性和集成性。

 


2.3 全生命週期設計和虛擬設計


(1)全生命週期設計


  產品設計是一項系統工程,面向產品全生命週期的設計,要考慮產品的市場需求、產品概念的形成、知識及技術資源的調研、成本價格分析、詳細設計、製造、裝配、使用壽命、安全保障與維修計劃,直至產品報廢與回收、再生利用的全過程,全面優化產品的功能/性能、生產效率、品質/質量、經濟性、時效性和能源/資源利用率等目標函數,求得其最佳平衡點。其基本觀點是“三全”觀點,即全系統、全壽命、全費用。

 


(2)虛擬設計


  在許多傳統設計中存在的關於產品在結構、功能、操作性能、生產工藝、裝配性能等許多方面的問題,但往往在正式使用中才能暴露出來,而虛擬設計是在虛擬的環境中進行產品設計,能在設計過程中及時發覺並排除這些問題。虛擬設計技術充分利用各種先進的應用技術,如模擬仿真技術、虛擬現實技術、計算機輔助設計技術、多媒體技術和網絡技術等,是集各種先進技術為一身的現代設計方法。虛擬設計技術主要研究內容包括虛擬現實技術、虛擬概念設計技術、虛擬樣機設計技術、虛擬裝配技術及虛擬設計的系統結構,如圖2.2所示。

 

  

圖2.2 虛擬設計

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