Использование 3D печати для исследования работы элементов интегральных схем

Микропроцессорная техника является объектом микромира, естественная трудность изучения которого состоит в отсутствии возможности непосредственного наблюдения. Концептуальной идеей проекта является создание 3D модели для наглядного представления процесса производства микропроцессоров.

Человек всегда стремился улучшить свою жизнь, используя при этом достижения науки. Инновации определяли и определяют развитие общества, они востребованы практически во всех сферах деятельности. Инновационные технологии очень быстро входят в нашу жизнь, меняют её и становятся необходимостью.

Естественным образом, и концепция образования сегодня меняется под воздействием инновационных достижений. Учитывая, что результаты образовательной деятельности ориентированы на потребности будущего, сфера образования по определению должна быть более восприимчива к новшествам и экспериментам, различного рода. При этом инновации, применительно к образованию, должны содержаться как в информационном контексте, так и в методах и средствах подачи информации.

Концептуальной идеей проекта является создание 3D модели для наглядного представления процесса производства микропроцессоров, используя при этом практические навыки, полученные на дисциплине «Компьютерная геометрия и графика» и теоретические знания курса «Проектирование цифровых устройств».

Микропроцессоры относятся к области микроэлектроники, которая работает с размерностями 10^-6 м. Следовательно, микропроцессорная техника является объектом микромира, естественная трудность изучения которого состоит в отсутствии возможности непосредственного наблюдения.

Работа над проектом проходила в несколько этапов. На первом этапе совместно с руководителем был определён алгоритм работы:

1.  Анализ теоретического материала по теме.

2.  Определение требований к модели и степени формализации.

3.  Построение принципиальной схемы.

4.  Выбор инструмента проектирования (программного средства для 3D моделирования).

5.  Создание эскиза.

6.  Выбор метода проектирования (метод полигонального моделирования на основе стандартных примитивов).

Второй этап содержал проектирование и создание 3D модели в графическом редакторе.

Третий этап – печать модели на 3D принтере.

Необходимо отметить, что, исследуя возможности применения 3D моделирования в процессе обучения, наиболее интересным для нас являлось перспективное направление3D-печати. Было решено создать образец модели на 3D принтере. Это несколько изменило первоначальные требования к модели, появилась необходимость создать элементы строго соответствующие друг другу для последующей сборки.

Требования к будущей модели: масштаб 1:10^-6, формализация, цветовая маркировка деталей, возможность сборки.

Таблица 1.

Степень формализации, учитывая целевое назначение

В качестве инструмента моделирования использован векторный графический редактор 3ds Max 2014 компании Autodesk. Данный программный продукт располагает обширными средствами по созданию разнообразных по форме и сложности трёхмерных компьютерных моделей с использованием разнообразных техник и механизмов.

Моделирование на основе стандартных объектов, как правило, является основным методом моделирования и служит отправной точкой для создания объектов сложной структуры, что связано с использованием примитивов в сочетании друг с другом как элементарных частей составных объектов. Конечным результатом, завершающим работу над статической трехмерной сценой, является «картинка» – графический файл изображения.

Для реализации определённых требований необходимо было выбрать оптимальный способ моделирования. Известно множество способов создания 3D-объектов, задача выбрать из них тот, который в наибольшей степени подходит для конкретного случая. Часто при моделировании объектов требуется использовать в различном порядке несколько разных инструментов. В нашем случае использовался метод полигонального моделирования на основе стандартных примитивов. Характерной особенностью такой модели является отсутствие кривых линий – она полностью состоит из идеально прямых поверхностей – полигонов. Полигональный объект, представленный на рисунке 1 можно редактировать и изменять на уровне подобъектов (вершин, рёбер, граней, полигонов и т.д.).

Рисунок 1. Полигональный объект в режиме «Каркас»

Рисунок 2. Эскиз

После детальной проработки схемы и эскиза (рисунок 2) была создана и подготовлена к печати 3D модель (рисунок 3).

Рисунок 3. 3D модель

Последовательность моделирования с небольшим отклонением соответствует процессу создания микропроцессора:

1.  На основе стандартного примитива заданного размера создан прототип кремниевой подложки – серый маркер (рисунок 4).

2.  Путём копирования создан слой, эмитирующий диэлектрическое покрытие (например, диоксид кремния) – жёлтый маркер (рисунок 4).

3.  Копированием создан слой фоторезистора – синий маркер (рисунок 4).

4.  Далее создаются области с изменёнными свойствами, используя фотошаблон (чёрный маркер) – фотолитография (рисунок 4).

Рисунок 4. Создание 3D модели

В результате, после травления, получаются области для внедрения примесей – зелёный маркер (рисунок 5). На данном этапе моделирования было опробовано два метода для более точного совпадения деталей: создание объекта boolean и модификатор desplesment на основе процедурных карт.

Рисунок 5. Внедрение примесей

Следующий этап аналогичным образом повторяет операции 2 и 4 для создания второго примесного слоя.

На последнем этапе показаны области для создания проводящего слоя (например, Cu) и интерпретация процессорной архитектуры – коричневый маркер (рисунок 6).

Рисунок 6. Интерпретация процессорной архитектуры

Таким образом, построенная 3D модель демонстрирует два слоя микропроцессора и состоит из пяти отдельных частей (рисунок 7).

Рисунок 7. Модель для 3D печати

Для визуализации данной модели нами был использован учебно-бытовой 3D-принтер «Альфа» производства АО «Центр аддитивных технологий» (г. Воронеж).

Учебно-бытовой 3D-принтер «Альфа» произведён на одной из самых современных производственных площадок РФ. Принтер работает по технологии FDM (технологии моделирования методом осаждения расплавленной нити) – это современный метод экструзионного синтеза. FDM позволяет строить концептуальные прототипы, функциональные модели и готовую продукцию из термопластиков.

Как любой другой метод 3D-печати, метод послойного наплавления начинается с подготовки компьютерной трехмерной модели. Затем запускается процесс непосредственной 3D-печати: нагревающая головка с фильерами (экструдер) расплавляет тонкую пластиковую нить (ABS/PLA пластик) и послойно укладывает ее согласно данным математической 3D-модели. Головка перемещается в горизонтальной плоскости и постепенно «рисует» нужный слой – контуры и заполнение между ними, после чего происходит вертикальное перемещение с опусканием стола, на толщину слоя и процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет построена полностью [11].

Таблица 2.

Учебно-бытовой 3D-принтер «Альфа»

3D-принтер «Альфа» оснащён индукционным датчиком для автокалибровки стола. Полностью прозрачный закрытый корпус принтера гарантирует обучающимся безопасность его использования. В то же время принтер открывается с двух сторон, что обеспечивает лёгкость доступа к рабочей поверхности и изготавливаемой модели.

Образец размером представляет собой сборную конструкцию. По заключению технического эксперта – 3D модель спроектирована с соблюдением правил конструирования, детали совпадают по размеру и форме. Полученная модель подготовлена к 3D печати в соответствии с требованиями к образцу. Применённый способ моделирования на основе процедурных карт и объектов boolean, обеспечил: точное совпадение деталей, простоту применения в процессе моделирования, экономию ресурса памяти.

Использование описанного способа допускается для подготовки деталей к 3D печати.

Использование 3D–принтера «Альфа» в учебном процессе способствует формированию компетенции в области современных 3D-технологий и 3D-моделирования, что решает комплекс задач: с одной стороны – подготовка молодых, современных, квалифицированных специалистов; с другой стороны – решит проблему нехватки таких специалистов на отечественных предприятиях.

Для понимания и принятия любой инновации важным является способ её внедрения. Возможности и перспективы графического компьютерного моделирования трудно переоценить. Конечно, мы не пытаемся назвать инновацией обеспечение наглядности обучения, но включение студентов в процесс создания демонстрационных моделей, изучение их в процессе моделирования и самостоятельное технологическое исполнение – эти возможности, сегодня, предоставляют инновационные разработки в области информационных технологий.