Проектирование БИС. Лабораторный практикум. Учебно-методическое пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Б.К. БОГОМОЛОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ БИС
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Учебно-методическое пособие
НОВОСИБИРСК
2010
УДК 621.396.6.049.77(076.5)
Б 744
Рецензенты:
Е.А. Макаров, канд. физ.-мат. наук, доцент, Н.И. Бородин, канд. техн. наук, доцент
Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов и микроэлектроники для студентов IV–V курсов факультета РЭФ (специальность 210104) и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия
Богомолов Б.К.
Б 744 Проектирование БИС. Лабораторный практикум : учеб.-метод. пособие / Б.К. Богомолов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. – 35 с.
ISBN 978-5-7782-1537-5
Настоящее методическое пособие содержит описания технологии и конструкции базового матричного кристалла серии 5503. Этот кристалл предназначен для создания широкого спектра радиоэлектронных устройств – от средств связи до автомобильной, авиационной и бытовой техники.
Пособие также включает описание четырех лабораторных работ, в ходе которых студенты знакомятся с маршрутом проектирования БИС: две работы на базе САПР «ПАРОМ» и две работы на базе САПР «Ковчег 2.2». В приложении приводится описание порядка работы в схемотехническом редакторе OrCAD.
Пособие разработано на основе материалов, присланных коллегами из Московского государственного института электронной техники, за что автор выражает им свою благодарность.
Предназначено для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры, а также для преподавателей, студентов, аспирантов, магистров, бакалавров и дипломированных специалистов, изучающих современные методы проектирования специализированных БИС.
|
УДК 621.396.6.049.77(076.5) |
ISBN 978-5-7782-1537-5 |
© Богомолов Б.К., 2010 |
|
© Новосибирский государственный |
|
технический университет, 2010 |
2
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее универсальной элементной базой для реализации в интегральном исполнении различных устройств являются специализированные БИС (в английской терминологии ASIC – Aplication Specific Integrated Circuits) на основе базовых матричных кристаллов (БМК, в
английской терминологии MPGA – Mask Programmable Gate Arrays)
[1,2]. БМК предназначены для разработки широкого спектра радиоэлектронных устройств от средств связи до автомобильной, авиационной и бытовой техники.
Базовые матричные кристаллы являются универсальными кристал- лами-заготовками, расположенными на полупроводниковой пластине. Такие кристаллы называют базовыми, поскольку все фотошаблоны, за исключением слоев коммутации, для их изготовления являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы. Простейшие элементы располагаются на кристалле в узлах прямоугольной решетки, поэтому его называют матричным.
БМК представляет собой вентильную матрицу нескоммутированных элементов, электрические связи между которыми реализуются с помощью тонкопленочных межсоединений. Изготовление конкретной БИС на БМК осуществляется посредством коммутации КМОПтранзисторов с помощью однослойной или многослойной разводки.
Основные достоинства БМК:
одним из основных преимуществ БМК является возможность их применения в аппаратуре специального назначения;
применение БИС на основе БМК позволяет избежать трудностей, связанных с увеличением номенклатуры ИС, обусловленных ростом уровня интеграции, и гарантирует значительное сокращение сроков разработки, снижение трудоемкости проектных работ, малую мощность потребления, возможность построения аппаратуры с малым весом и габаритами.
3
в ряде случаев БМК позволяет реализовать как цифровые, так и линейные схемы;
наличие заранее исследованных и апробированных библиотечных элементов существенно уменьшает время разработки проектов, применение макроэлементов избавляет пользователя от необходимости разработки типовых схемотехнических решений;
важное преимущество БМК относится к области квалификационных испытаний. Проведенные при освоении производства БМК квалификационные испытания распространяются на все микросхемы, изготовленные на его основе.
Таким образом, применение БИС обеспечивает значительное уменьшение габаритов и энергопотребления, повышает надежность изделий, резко сокращает номенклатуру применяемых микросхем (одна БИС заменяет 20…500 микросхем средней степени интеграции).
Настоящее методическое пособие ориентировано на БМК серии 5503, которые были разработаны в 2001 году и производятся научнопроизводственным комплексом «Технологический центр» (НПК ТЦ). НПК ТЦ был организован в 1988 году как обособленное подразделение Московского института электронной техники (МИЭТ).
На основе САПР БИС «Ковчег» серий БМК 5501 и 5503 МИЭТ и НПК ТЦ совместно разработали и начали реализацию проекта РОСЧИП, который предусматривает распространение и внедрение в учебный процесс вузов России современной отечественной САПР БИС «Ковчег» с целью подготовки высококвалифицированных специалистов в области разработки специализированных КМОП БИС на основе БМК, а также переподготовку специалистов. Более подробно с программой РОСЧИП можно ознакомиться на сайте http://www.asic.ru.
В период с 2 по 6 марта 2010 года НПК «Технологический центр» МИЭТ принял участие в международной выставке информационных технологий и телекоммуникаций CeBIT-2010 в Ганновере. В своей экспозиции НПК «Технологический центр» МИЭТ особое внимание уделил презентации серии 5503 КМОП базовых матричных кристаллов.
Пособие содержит описания конструкции и основных характеристик БМК серии 5503, пример учебного проекта БИС программируемого восьмиканального таймера и четырех лабораторных работ на базе САПР «ПАРОМ» и «Ковчег 2.2».
4
ОПИСАНИЕ БМК
1.1. СОСТАВ СЕРИЙ БМК 5503 И 5507
Технология. КМОП с поликремниевыми затворами и одним слоем металлизированной коммутации. Уровень технологии 1,6 мкм.
Конструкция. На матричном поле (табл. 1) расположены ячейки, содержащие по 4 нескоммутированных транзистора, которые образуют один условный вентиль, и каналы трассировки: вертикальные каналы (10 трасс) внутри матрицы вдоль рядов базовых ячеек и 4 периферийных канала (8…16 трасс).
Т а б л и ц а 1
Краткие характеристики БМК серий 5503 и 5507
5
1.2. БИБЛИОТЕКА ЭЛЕМЕНТОВ
Серии БМК 5503 и 5507 имеют единую библиотеку элементов с универсальной системой обозначений. Библиотека состоит из трех частей.
Библиотека базовых элементов 5503. Включает в себя все основ-
ные группы логических элементов, периферийные элементы, обеспечивающие функции входа, выхода и входа/выхода цифровых и аналоговых сигналов, а также пассивную или активную дотяжку внешнего сигнала. Библиотека состоит из 252 элементов.
Библиотека цифроаналоговых элементов 5503+. Включает в се-
бя 28 элементов, позволяющих реализовать аналого-цифровую обработку информации в поле БМК.
Библиотека специальных элементов 5503++. Состоит из элемен-
тов, разработанных для конкретных применений различных Заказчиков.
1.3. КОНСТРУКЦИЯ БМК СЕРИЙ 5503 И 5507
БМК серии 5503 и 5507 изготавливаются по КМОП-технологии (1.6 мкм), отличаются друг от друга числом внешних выводов, размером поля БМК и напряжением питания. Их условно можно подразделить на младшие БМК (5503ХМ1, ... 5503ХМ5; 5507БЦ1У,...5507БЦ5У)
и старшие БМК (5503БЦ7У и 5507БЦ7У).
Конструкция младших БМК отличается от конструкции старших разводкой силовых шин ЗЕМЛЯ, ПИТАНИЕ и пропускной способностью периферийных трассировочных каналов. Младшие БМК имеют по одному контакту ЗЕМЛЯ и ПИТАНИЕ сверху и снизу соответственно. Общий вид разводки шин земли и питания, а также расположение внешних контактов младших БМК показаны на рис. 1 на примере БМК 5503ХМ2.
Старшие БМК имеют два контакта ЗЕМЛЯ справа и слева и два контакта ПИТАНИЕ сверху и снизу. Общий вид разводки шин земли и питания, а также расположение внешних контактов старших БМК показаны на рис. 2 на примере БМК 5503ХМ7.
Ширина обводных шин земли и питания составляет 60 мкм, верхняя и нижняя шина в поле – 38 мкм. Ширина разводки шин земли и питания в ячейках поля БМК составляет 8 мкм.
6
Рис. 1. Топология шин ЗЕМЛЯ, |
Рис. 2. Топология шин ЗЕМ- |
ПИТАНИЕ и расположение внеш- |
ЛЯ, ПИТАНИЕ и расположе- |
них контактов БМК 5503ХМ2. |
ние внешних контактов БМК |
Контакт 21 – внешний контакт ши- |
5503БЦ7У. Контакты 16 и 48 – |
ны ЗЕМЛЯ. Контакт 42 – внешний |
внешние контакты шин ЗЕМ- |
контакт шины ПИТАНИЕ |
ЛЯ. Контакты 32 и 64 – внеш- |
|
ние контакты шин ПИТАНИЕ |
В левом нижнем углу БМК располагаются технологические тесты и зона идентификации БИС, в левом верхнем углу – первый комплект фигур совмещения и тест на качество травления алюминия, в правом нижнем – второй комплект фигур совмещения, в правом верхнем углу БМК располагается схема высокочастотного делителя. Размер периферийной контактной площадки составляет 108 на 108 мкм. Ячейка поля БМК имеет два n-канальных и два p-канальных транзистора. Поле ячеек имеет канальную организацию, включает в себя 18 столбцов, в каждом из которых находится 88 ячеек. Разводка схемы осуществляется в слое поликремния и алюминия. Зашивочным является только слой алюминия, т. е. слой поликремния, и контактные окна поликремний/алюминий служат базовыми слоями. Таким образом, зашивка БМК осуществляется одним фотошаблоном с минимумом технологических операций (экспонирование и травление алюминия, нанесение защитного покрытия).
Конструкция поля ячеек младших БМК ряда
Поле ячеек БМК представляет собой совокупность столбцов ячеек. Соседние ячейки в столбце разделены поликремниевым проходом. Соседние столбцы разделены каналами для трассировки, которые пред-
7
ставляют собой совокупность горизонтальных поликремниевых отрезков со вскрытыми контактными окнами. В канале может быть проведено до 10 вертикальных трасс разводки в слое алюминия либо одна горизонтальная трасса между соседними отрезками поликремния (рис. 3). Со всех четырех сторон поля ячеек имеются периферийные каналы для трассировки аналогичной конструкции. Сверху и снизу к полю ячеек организован подвод земли и питания.
Рис. 3. Фрагмент поля БМК серий 5503 и 5507
Конструкция поля ячеек старших БМК ряда
Конструкция поля ячеек старших БМК отличается от конструкции поля ячеек младших БМК разводкой шин земли и питания и пропускной способностью периферийных каналов разводки. Старшие БМК ряда имеют по два независимых внешних контакта подвода земли и питания. Контакты земли располагаются слева и справа поля БМК, контакты питания – сверху и снизу. Поле БМК как бы разделено на две части силовыми шинами земли, отходящими от соответствующих
8
внешних контактов. Это хорошо показано на общем виде разводки силовых шин земли и питания старших БМК на рисунке c примером БМК 5503БЦ7У. Длина поликремниевых отрезков в периферийных каналах увеличена вдвое, тем самым пропускная их способность доведена до 18 трасс разводки вдоль периферийного канала.
Ячейка поля БМК
Ячейка поля БМК представляет собой 4-транзисторную ячейку комплиментарных транзисторов. Топология и схема электрическая ячейки поля БМК показаны на рис. 4 и 5, а размеры транзисторов – в табл. 2.
Рис. 4. Топология базовой ячейки БМК серий 5503 и 5507
9
Рис. 5. Схема электрическая принципиальная ячейки поля БМК:
× – программируемый вывод
Т а б л и ц а 2
Размеры транзисторов ячейки поля БМК
Универсальная периферийная ячейка БМК
Универсальная периферийная ячейка БМК (см. рис. 3) предназначена для ввода в БИС и вывода из БИС информационных цифровых и аналоговых сигналов. Она содержит контактную площадку размером 108 на 108 мкм, два диода для организации электростатической защиты, восемь кольцевых транзисторов с независимыми затворами (четыре n-типа и четыре p-типа), на которых могут быть построены четыре инвертора, шесть транзисторов (три n-типа и три p-типа) для организации пассивной дотяжки внешнего контакта в случае высокоимпедансного состояния, два мощных транзистора n- и p-типа.
Схема электростатической защиты периферийной ячейки является двухступенчатой: первая ступень – диоды сток-подложки мощных выходных транзисторов, вторая реализована в виде диодно-резистивной сборки. Схема защиты входит в состав всех интерфейсных элементов. Электрическая схема периферийной ячейки показана на рис. 6, а размеры транзисторов даны в табл. 3.
10