作者：杨之勇
人类活动的一切领域几乎都离不开设计，设计就是要平衡事物要素间的关联关系。为功能需要去创造未来。
21世纪是一个以世界性的激烈的经济竞争为特点的世纪，将是以设计竞争为主导的世纪，正是这个时代特点，美国人在90年代才认识到光有先进的科学技术还不一定能在商品竞争中取胜，必须通过先进的设计，使自己的产品富有竞争力，才能在经济竞争中取得优势，因此他们在1991年提出了为竞争的优势而设计的口号，作为改善他们的设计教育的方向。设计是门科学理论与实践的结合体，如何认识设计是个大问题。
一.设计内涵和实质，与精神文明与物质文明：社会的高速发展必定会影响自然界，如能源、环境、生态平衡、布局、等要素，就要通过设计手段解决人、社会、环境、生态良好协调和协同，环境设计包括区域规划、人居区域、工业区域、自然生态区域、道路、桥梁、防洪、减灾等设计，
二.设计与国际竞争，设计的成果是以物质和精神的形式展现在世人面前，其中一部分成为文物，例如中国的长城、张衡侯风地动仪、指南车、古埃及金字塔等。国际间的经济竞争日益突出，主要体现在国际市场的商品竞争，商品说到底就是设计与制造水平的竞争德国人首先认识到水平高低关键在于设计，其他国家也是有同样认知设计是关键。
三.提高设计理论和改善设计工作对中国的未来至关重要。回看中国古代的设计创造足以炫耀于世的众多文物于世界面前，但到18世纪以后，在商品市场上就很难找到中国设计有竞争力的产品了，纵看近代中国某一方面设计现状，和国际竞争和中国这样一个大国很不相称的了。面对21世纪必须清楚认识到只有改善设计教育、提高人的思维方式和创新素质能力这对中国的未来是至关至重要的
四.近代各国设计科学的重大发展：早在本世纪三四市年代，世界上有些国家进行的设计思想、设计方法、及创造性设计进行了探索研究，例如人机工程学、价值分析、智暴法等，五六十年代很多国家对设计方法研究更为重视，近十几年来对现代设计法的研究形成高潮，各国研究侧重点不尽一致，就连名称也不统一：例如设计方法学、工程新设计法、工程设计原理、工程设计学等，并形成不同学派，美国对现代设计法研究较早、俄罗斯、英国、德国、瑞典、日本、等发达国家对设计方法研究不断深入，并各有特色。近代设计科学有了重大发展，在机械学的结构设计方面取得了进一步发展，随着计算机科学的发展作为计算机辅助设计（cad）以及相关的优化、有限元、可靠性、并行工程、CAD/CAM一体化技术 等应用很快进入设计技术领域，使设计技术更上一个层次，但真正核心技术是：1.功能和系统思想的提出和发展，我们引进和购买的设备不是设备本身的设备机构和结构的先进性，而是设备产品付诸的功能，功能才是产品的核心和本质，是功能决定相应的结构。2.人机学思想的形成和发展。人机学以从狭隘的功效学发展涉及到整个企业的工业工程。宜人的宗旨不能被忽视的理念。3.工业设计科学体系发展和成熟，这是近代设计学三个有影响的重大发展，是机械设计学的核心内容。
五.机械设计、机构型综合及产品开发，一切机械从原理抽象概念上讲都是一种机构，只有懂得机构，才能看清机械的大道理。我过去没学过机械手、机器人的课程，就是因为平时喜爱机构学的学问，业余时间买这方面书也多些，并略有专研，所以下海到无锡地区打工搞机械手和机器人设计，没有任何困难。收到勤来。
基本机构的是机构学中最简单的机构，1副转动基本机构中的轴，从机构学角度被称为运动副，是约束转动件在机座上只能做转动支撑。起到只有一个自由度（活动度）的作用，这是自由与约束的统一，是辩证法的体现，轴按功能讲1起到能转动的作用2起到链接受力多用，3人机学思想，方便装配和拆卸及可靠性作用。这样轴就有：1）机床主轴2）发动机曲轴3）车辆前后轴等之分，轴的设计和选用按功能需要适可为止，不要刻板，进口国外一台发动机，挂弹簧的不是采用特殊销轴而是采用开口销代替这正是功能决定结构的思想的体现。关于机构学中的转动副，也就是机件中轴的学问也少多少，从功能原理看关联关系，就是抓住科学理论的实质，拿机床主轴来说：1）材料选择2）热处理规范，3）根据功能需要的轴承配置4）轴的结构要求的圆角量值确定5)轴的轴向及径向间隙调整方式（总图设计中就要有所考虑）这些观联关系就是机床主轴的科学技术要点。轴承的选择和配置也有很大学问，有的设计一轴系装置，只采用一个深沟轴承，一个深沟轴承是球轴承，相当一个点，只有两点才能确定一条直线 ，也就是说确定不了轴的位置的稳定性，这也是机械设计禁忌之一。违反这一关联关系就会出错，出质量事故。高温下适用的轴承，如何设计，比如热窑中的料车轴承就要注意其功能条件：1）精度不高，2）耐环境温度和环境其它条件：这样的轴承 设计结构：1）无保持架（不采用滚动体保持架）2）大间隙（游隙）（0.25～0.5）之间；航空发动机轴承要想提高使用寿命：不能只在考虑材料在高温下的耐磨性，按使用功能和失效下的与高温条件变化的关联关系建议要考虑：内外套和滚动体三种材料在高温下的膨胀系数关系，要研究出在高温下外套膨胀，内套收缩，能平衡滚动体膨胀的综合间隙，要知道滚动体数量多，其膨胀累加数也就多了。耐高温力敏传感器是利用和康铜片受热电阻变化相反的材料的电阻正负综合原理实现的。也是利用事物要素间关联关系实现的。为了便于安装手表带与手表采用弹性可伸缩轴结构（暗链接在表壳端顶尖孔内），工业输送链的轴采用铆接方式定位防止脱落，轻型输送链有的轴向定位采用卡簧。按功能决定结构原理，有的瓶盖采用无轴两位转动瓶盖，靠的是材料和结构弹性及结构力矩关系，工业中有的门在功能需要条件下关开停可以是两位机构型也可以是三位机构性，也可以是非园转动，或是渐开线型转动，这就要靠功能引领的机构综合能力了。
虚心学习但不迷信，为了手段可以不迷信手段。解决问题方法比问题的解决更重要、认识——认知——方法。整体是有个体组成，个体是组成成系统的单元，看问题不能丢掉细节，细节是成功的关键。
芯片是个核心重要科技商品，将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜（thin-film）集成电路。另有一种厚膜（thick-film）集成电路（hybrid integrated circuit）是由独立半导体设备和被动组件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。从1949年到1957年，维尔纳·雅各比（Werner Jacobi）、杰弗里·杜默（Jeffrey Dummer）、西德尼·达林顿（Sidney Darlington）、樽井康夫（Yasuo Tarui）都开发了原型，但现代集成电路是由杰克·基尔比在1958年发明的。其因此荣获2000年诺贝尔物理奖，但同时间也发展出近代实用的集成电路的罗伯特·诺伊斯，却早于1990年就过世。
根据一个芯片上集成的微电子器件的数量，集成电路可以分为以下几类：小型集成电路（SSI英文全名为Small Scale Integration）逻辑门10个以下或晶体管100个以下。中型集成电路（MSI英文全名为Medium Scale Integration）逻辑门11~100个或 晶体管101~1k个。大规模集成电路（LSI英文全名为Large Scale Integration）逻辑门101~1k个或 晶体管1,001~10k个。超大规模集成电路（VLSI英文全名为Very large scale integration）逻辑门1,001~10k个或 晶体管10,001~100k个。极大规模集成电路（ULSI英文全名为Ultra Large Scale Integration）逻辑门10,001~1M个或 晶体管100,001~10M个。GLSI（英文全名为Giga Scale Integration）逻辑门1,000,001个以上或晶体管10,000,001个以上。
从1930年代开始，元素周期表中的化学元素中的半导体被研究者如贝尔实验室的威廉·肖克利（William Shockley）认为是固态真空管的最可能的原料。从氧化铜到锗，再到硅，原料在1940到1950年代被系统的研究。今天，尽管元素中期表的一些III-V价化合物如砷化镓应用于特殊用途如：发光二极管、激光、太阳能电池和最高速集成电路，单晶硅成为集成电路主流的基层。创造无缺陷晶体的方法用去了数十年的时间。
半导体集成电路工艺，包括以下步骤，并重复使用：光刻、刻蚀、薄膜(化学气相沉积或物理气相沉积）、掺杂（热扩散或离子注入）、化学机械平坦化CMP、使用单晶硅晶圆（或III-V族，如砷化镓）用作基层，然后使用光刻、掺杂、CMP等技术制成MOSFET或BJT等组件，再利用薄膜和CMP技术制成导线，如此便完成芯片制作。因产品性能需求及成本考量，导线可分为铝工艺（以溅镀为主）和铜工艺（以电镀为主参见Damascene）。主要的工艺技术可以分为以下几大类：黄光微影、刻蚀、扩散、薄膜、平坦化制成、金属化制成。IC由很多重叠的层组成，每层由视频技术定义，通常用不同的颜色表示。一些层标明在哪里不同的掺杂剂扩散进基层（成为扩散层），一些定义哪里额外的离子灌输（灌输层），一些定义导体（多晶硅或金属层），一些定义传导层之间的连接（过孔或接触层）。所有的组件由这些层的特定组合构成。
在一个自排列（CMOS）过程中，所有门层（多晶硅或金属）穿过扩散层的地方形成晶体管。
电阻结构，电阻结构的长宽比，结合表面电阻系数，决定电阻。 电容结构，由于尺寸限制，在IC上只能产生很小的电容。更为少见的电感结构，可以制作芯片载电感或由回旋器模拟。 因为CMOS设备只引导电流在逻辑门之间转换，CMOS设备比双极型组件（如双极性晶体管）消耗的电流少很多。透过电路的设计，将多颗的晶体管管画在硅晶圆上，就可以画出不同作用的集成电路。随机存取存储器是最常见类型的集成电路，所以密度最高的设备是存储器，但即使是微处理器上也有存储器。尽管结构非常复杂－几十年来芯片宽度一直减少－但集成电路的层依然比宽度薄很多。组件层的制作非常像照相过程。虽然可见光谱中的光波不能用来曝光组件层，因为他们太大了。高频光子（通常是紫外线）被用来创造每层的图案。因为每个特征都非常小，对于一个正在调试制造过程的过程工程师来说，电子显微镜是必要工具。
在使用自动测试设备（ATE）包装前，每个设备都要进行测试。测试过程称为晶圆测试或晶圆探通。晶圆被切割成矩形块，每个被称为晶片（“die”）。每个好的die被焊在“pads”上的铝线或金线，连接到封装内，pads通常在die的边上。封装之后，设备在晶圆探通中使用的相同或相似的ATE上进行终检。测试成本可以达到低成本产品的制造成本的25%，但是对于低产出，大型和/或高成本的设备，可以忽略不计。在2005年，一个制造厂（通常称为半导体工厂，常简称fab，指fabrication facility）建设费用要超过10亿美元，因为大部分操作是自动化的。产品试制容易，能自动化生产没有设计能力的设计工程师和工艺师师的努力师难以实现的。
制造过程：芯片制作完整过程包括芯片设计、晶片制作、封装制作、测试等几个环节，其中晶片制作过程尤为的复杂。首先是芯片设计，根据设计的需求，生成的“图样”，芯片的原料晶圆晶圆的成分是硅，硅是由石英沙所精练出来的，晶圆便是硅元素加以纯化（99.999%），接着是将这些纯硅制成硅晶棒，成为制造集成电路的石英半导体的材料，将其切片就是芯片制作具体所需要的晶圆。晶圆越薄，生产的成本越低，但对工艺就要求的越高。 晶圆涂膜晶圆涂膜能抵抗氧化以及耐温能力，其材料为光阻的一种。晶圆光刻显影、蚀刻光刻工艺的基本流程如图1 [2] 所示。首先是在晶圆（或衬底）表面涂上一层光刻胶并烘干。烘干后的晶圆被传送到光刻机里面。光线透过一个掩模把掩模上的图形投影在晶圆表面的光刻胶上，实现曝光，激发光化学反应。对曝光后的晶圆进行第二次烘烤，即所谓的曝光后烘烤，后烘烤是的光化学反应更充分。最后，把显影液喷洒到晶圆表面的光刻胶上，对曝光图形显影。显影后，掩模上的图形就被存留在了光刻胶上。涂胶、烘烤和显影都是在匀胶显影机中完成的，曝光是在光刻机中完成的。匀胶显影机和光刻机一般都是联机作业的，晶圆通过机械手在各单元和机器之间传送。整个曝光显影系统是封闭的，晶圆不直接暴露在周围环境中，以减少环境中有害成分对光刻胶和光化学反应的影响 。
图示 现代光刻工艺的基本流程和光刻后的检测步骤
该过程使用了对紫外光敏感的化学物质，即遇紫外光则变软。通过控制遮光物的位置可以得到芯片的外形。在硅晶片涂上光致抗蚀剂，使得其遇紫外光就会溶解。这时可以用上第一份遮光物，使得紫外光直射的部分被溶解，这溶解部分接着可用溶剂将其冲走。这样剩下的部分就与遮光物的形状一样了，而这效果正是我们所要的。这样就得到我们所需要的二氧化硅层。
掺加杂质：将晶圆中植入离子，生成相应的P、N类半导体。具体工艺是是从硅片上暴露的区域开始，放入化学离子混合液中。这一工艺将改变搀杂区的导电方式，使每个晶体管可以通、断、或携带数据。简单的芯片可以只用一层，但复杂的芯片通常有很多层，这时候将该流程不断的重复，不同层可通过开启窗口联接起来。这一点类似多层PCB板的制作原理。 更为复杂的芯片可能需要多个二氧化硅层，这时候通过重复光刻以及上面流程来实现，形成一个立体的结构。
晶圆测试：经过上面的几道工艺之后，晶圆上就形成了一个个格状的晶粒。通过针测的方式对每个晶粒进行电气特性检测。一般每个芯片的拥有的晶粒数量是庞大的，组织一次针测试模式是非常复杂的过程，这要求了在生产的时候尽量是同等芯片规格构造的型号的大批量的生产。数量越大相对成本就会越低，这也是为什么主流芯片器件造价低的一个因素。
封装：将制造完成晶圆固定，绑定引脚，按照需求去制作成各种不同的封装形式，这就是同种芯片内核可以有不同的封装形式的原因。比如：DIP、QFP、PLCC、QFN等等。这里主要是由用户的应用习惯、应用环境、市场形式等外围因素来决定的。
测试、包装：经过上述工艺流程以后，芯片制作就已经全部完成了，这一步骤是将芯片进行测试、剔除不良品，以及包装。
封装：最早的集成电路使用陶瓷扁平封装，这种封装很多年来因为可靠性和小尺寸继续被军方使用。商用电路封装很快转变到双列直插封装，开始是陶瓷，之后是塑料。1980年代，VLSI电路的针脚超过了DIP封装的应用限制，最后导致插针网格数组和芯片载体的出现。
表面贴着封装在1980年代初期出现，该年代后期开始流行。它使用更细的脚间距，引脚形状为海鸥翼型或J型。以Small-Outline Integrated Circuit（SOIC）为例，比相等的DIP面积少30－50%，厚度少70%。这种封装在两个长边有海鸥翼型引脚突出，引脚间距为0.05英寸。Small-Outline Integrated Circuit（SOIC）和PLCC封装。1990年代，尽管PGA封装依然经常用于高端微处理器。PQFP和thin small-outline package（TSOP）成为高引脚数设备的通常封装。Intel和AMD的高端微处理现在从PGA（Pine Grid Array）封装转到了平面网格阵列封装（Land Grid Array，LGA）封装。球栅数组封装封装从1970年代开始出现，1990年代开发了比其他封装有更多管脚数的覆晶球栅数组封装封装。在FCBGA封装中，晶片（die）被上下翻转（flipped）安装，通过与PCB相似的基层而不是线与封装上的焊球连接。FCBGA封装使得输入输出信号阵列（称为I/O区域）分布在整个芯片的表面，而不是限制于芯片的外围。如今的市场，封装也已经是独立出来的一环，封装的技术也会影响到产品的质量及良率。只知道大概，不关注细节行吗，只知道设计不懂得工艺安排和工艺设备行吗？不研究过程关联也是不行的。
同样道理比芯片简单的各种密封圈制造也是同样道理，和芯片比简单的密封圈，其制造设备也不简单，车削设备要高精度高转速上万转，工艺严瑾，配料精准，毛胚料自动排列，输送、机械手自动上下料，自动计数包装，是要有全科技术的能手才行，不仅能设计，还要能看出问题有排除故障能力，通过设计改进工艺设备，就我目前知道的信息我国这样的工厂很少，在江苏无锡有个公司在搞，规模不大，汽车内饰件厂在我国国家自己的工厂较少，大部分被台湾某以汽车内饰件厂所占有，本人曾参与过台商企业工艺过程生产线自动化设计，但进场不可拍照，技术保密很严。看来设计技术和装备就是保密的核心。
所以提高设计水平把我国自主品牌产品搞上去！还需要我们大家共同努力！
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