ПИМС и МП. Лекции, задания / РабПрограмма ПИМС_210202_заочн_м

1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

УТВЕРЖДАЮ Первый проректор, проректор по учебной работе

________________ Л. А. Боков

«___» _______________2012 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

учебной дисциплины “Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров” для студентов заочного отделения специальности 210202 - “Проектирование и технология электронно-вычислительных средств”.

Заочный и вечерний факультет

2012

2

вычислительных средств”, утверждённого 10.03. 2000г., рассмотрена и

Рабочая программа согласована с факультетом, профилирующей и выпускающей кафедрой специальности.

3

1. Цели и задачи дисциплины, её место в учебном процессе

1.1 Цель преподавания дисциплины

Дисциплина «Проектирование интегральных микросхем (ИМС) и микропроцессоров (МП)» в учебном плане специальности 210202 определена ГОС ВПО от 2000 года, как специальная (код СД.03).

Целями изучения материалов дисциплины являются:

- освоение понятий, определений, отношений конструкторского проектирования, с учётом схемного представления и технологического обеспечения производства конструкций интегральных микросхем (ИМС);

- освоение знаний, развитие умений и навыков выполнения комплекса работ по конструкторскому проектированию интегральных микросхем и микропроцессоров

1.2 Задачи изучения дисциплины

В результате усвоения теоретических положений курса студент должен

знать:

-состав этапов и работ конструкторского проектирования ИМС;

-методы выбора форм и размеров элементов, радиокомпонентов современных и перспективных пленочных, гибридных и полупроводниковых ИМС;

-состав конструкций, параметры типовых модификаций современных микросхем и способы применения микросхем;

- принципы и методы разработки конструкций ИМС, оценки их показателей качества с учетом действия дестабилизирующих факторов;

- требования, состав и методы подготовки конструкторской документации на микросхемы с использованием средств автоматизации конструкторского проектирования.

В результате развития и закрепления знаний студент должен уметь:

1)формулировать технические задания на проектирование ИМС;

2)анализировать требования технического задания и формулировать требования к конструктивному составу микросхем;

3)выбирать форму элементов и взаимное расположение их композиций в конструкциях ИМС, выполнять необходимые проектные расчёты их размеров;

4)оценивать влияние дестабилизирующих факторов и предусматривать меры стабилизации параметров, повышения их надежности микросхем на этапах конструкторского проектирования;

умений. Навыки приобретаются в процессе выполнения лабораторных работ, программы практических занятий, выполнения контрольных работ по дисциплине.

4

1.3 Место и преемственность изучения дисциплины

Изучение курса “Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров” базируется на ряде предшествующих дисциплин учебного плана специальности 210202:

1 Физические основы микроэлектроники - (3 курс)

2 Материаловедение и материалы ЭС (3 курс)

3Физико-химические основы технологии электронных средств - (4 курс)

4Теоретические основы проектирования, производства и надежности ЭС - (4 курс)

5Технология ЭВС-1 (4 курс)

6Схемотехника электронных средств (4 курс)

7Информационные технологии проектирования электронных средств (5

курс)

Дисциплина 1 формирует основу для восприятия конструкций элементов, использующих эффекты контактных переходов в твердых телах (структуры p-n переходов, металл-диэлектрик-металл, металл-диэлектрик.)

Дисциплины 2,3 формируют знания физических и химических свойств полупроводниковых, диэлектрических, проводящих материалов, применяемых

вконструкциях ИМС и МП.

Дисциплины 4,5 формируют необходимый уровень знаний по технологии производства изделий микроэлектроники, обеспечению надежности и оценке показателей качества проектных решений.

параметров элементов и компонентов на электрические показатели микросхем. Дисциплина «Информационные технологии проектирования электронных средств» актуальна для ряда разделов конструкторского проектирования (расчеты, оценки, размещение и соединение объектов

конструкций, оформление документации Дидактические единицы теоретической подготовки в содержании

программы выделены подчёркиванием.

2.Содержание дисциплины

Темы, содержание и объём лекционных занятий - 10 часов

Тема 1 Введение – 0,5 часа (срс- 4 часа) 8 сем.

Термины и определения предметной области. Классификация микросхем. Конструкции ИМС. Состав конструкции ИМС. Задачи и этапы проектирования ИМС.

Тема 2 Конструкции элементов полупроводниковых интегральных микросхем (ИМС) – 1.5 час (срс18 часов).

Элементы кристаллов ИМС технологии биполярных транзисторов (БПТ). Свойства изоляции элементов. Базовый элемент биполярных структур.

5

Технологические варианты биполярных структур. Ограничения технологии. Сравнительная характеристика вариантов.

Планарность конструкций элементов ИМС. Следствия планарности. Параметры слоёв биполярных структур. «Первичные» и «вторичные» параметры. Оценка и расчет «вторичных» параметров слоев.

Проектные параметры БПТ цифровых ИС. Специфика БПТ аналоговых ИМС. Обеспечение электрической прочности структуры БПТ. Выбор параметров структуры по показателю «коэффициента передачи тока» в структуре БПТ.

Тема 3 Расчёт параметров конструктивных элементов и разработка топологии биполярных ИМС – 2,5 часа (срс30 часов).

Выбор размеров и формирование топологических конфигураций БПТ ИМС. Обеспечение рабочих токов. Учет проблем планарности конструкции в размерах и влиянии на передачу тока.

Оценки межэлектродных сопротивлений, емкостей, времени переключения тока в БПТ. Ключевые свойства БПТ, как функция формы и размеров. Схема замещения с элементами физико-топологической модели. Алгоритм проектирования топологии БПТ.

Диоды ИМС. Сравнительная характеристика структур планарных диодов ИМС. Проектные параметры диодов. Выбор размеров и формирование топологии диодов ИМС. Схема замещения планарного диода. Элементы физико-топологической модели. Влияние барьерных и диффузионных емкостей на время переключения. Алгоритм проектирования диодов. Диоды Шоттки. Конструкция планарного диода Шоттки. Специфика свойств.

Резисторы ИМС. Структуры резисторов БП ИМС. Проектные параметры. Расчетные соотношения. Топологические конфигурации. Выбор форм и размеров резисторов. Электрическая схема замещения. Граничная частота. Алгоритм проектирования.

Варианты топологических форм БПТ. Дополняющий (торцевой) БПТ. Многоэмиттерный БПТ. Инжекционный транзистор. Конструкция транзистора. Схемная организация элементов И2Л. Выбор размеров и форм элементов логики И2Л. Транзистор Шоттки.

Тема 4 Конструирование ИМС на биполярных структурах – 0,5 часа

(срс- 6 часов).

Кристаллы БП ИМС. План кристалла. Потери активной площади. Способы сокращения потерь. Принципы функциональной интеграции. Соединения и контакты на кристаллах. Дополнительные знаки и фигуры. Показатели качества компоновки кристалла. Схемная организация БПТ ИМС. Схемная организация ТТЛШ. Проектирование топологии биполярных микросхем.

6

Тема 5 Разработка конструкции и расчёт параметров элементов ИМС на полевых структурах – 1 часа (срс20 часов).

Полевые эффекты в планарных структурах на п/п пластинах (p-n переходы, эффекты модуляции проводимости поверхностных слоев). Структура и топология полевого транзистора (ПТ) с индуцированным и встроенным каналами. Параметры ПТ для цифровых ИМС. Расчетные соотношения для параметров ПТ. Выбор форм и расчёт размеров ПТ.

Полевой транзистор как базовый элемент схем и конструкций цифровых ИС. Схема замещения транзистора с элементами физико-топологической модели ПТ. Разработка топологии и конструирование ИМС на полевых структурах. Специфика проектирования топологии ИМС на полевых структурах. Схемная организация и конструирование ИМС с ПТ одного и разных типов канала.

Выбор форм и размеров базовых логических вентилей ИС. Конструирование ИМС на биполярно-полевых структурах Композиции ПТ и БПТ. Приборы функциональной интеграции на полевых приборов (БИМОП элементы, цифровые элементы инжекционно-полевой логики (ИПЛ), преобразователи с зарядовой связью, элементы и устройства памяти). Кристаллы полевых ИМС.

Тема 6 Конструирование плат гибридных интегральных схем

(ГИС) – 2 часа (срс24 часа) 9 сем.

Состав конструкций ГИС. Платы толсто- и тонкопленочных ГИС. Резисторы ГИС. Конструирование и расчёт плёночных резисторов ГИС. Расчетные критерии и соотношения. Параметры. Выбор форм и размеров без подгонки и с подгонкой сопротивления. Специфика конструкций толстопленочных элементов.

Конденсаторы ГИС. Параметры. Конструирование и расчёт плёночных конденсаторов ГИС. Выбор форм, расчет без подгонки и с подгонкой емкости. Конструирование и расчёт плёночных проводников и контактных площадок гибридных ИМС. Микросборки. Состав конструкций микросборок (МСБ). Коммутационные основания и платы МСБ. Конструирование микросборок (МСБ) цифровых устройств.

Индуктивности ГИС. Параметры. Конструирование и расчёт плёночных индуктивностей ГИС. Выбор форм и размеров. Расчетные соотношения. Компоненты гибридных интегральных схем (ГИС). Параметры компонент. Конструкции активных и пассивных компонент. Разработка, расчёты конструкции и топологии ГИС с учетом монтажа компонент. Разработка конструкции и топологии ГИС и МСБ. План платы ГИС.

Влияние частоты на выбор материалов плат и слоев, форм и размеров элементов. Гибридные ИМС СВЧ диапазона. Платы, соединения, контакты, формы элементов СВЧ ГИС. Размерные ограничения. Расчетные

7

соотношения. Конструирование СВЧ ГИС. Конструкции биполярных транзисторов, диодов и резисторов СВЧ ГИС. План платы ГИС СВЧ.

Тема 7 Проектирование топологии больших интегральных схем

(БИС)– 0,5 часа (срс- 6 часов)

Большие (БИС) и сверхбольшие ИС (СБИС). Классификация БИС и базовые матричные кристаллы (БМК).Функциональный и конструктивный состав БМК. Состав этапов проектирования конструкций БИС. Микросборки цифровых БИС. Системы автоматизации проектирования БИС (САПР БИС) в проектировании БИС и СБИС. Специализированные библиотеки элементов, узлов. Кремниевая компиляция в проектировании БИС и СБИС. Пакеты и технические средства поддержки САПР БИС.

Тема 8 Конструирование ИМС и МСБ – 1 час (срс12 часов)

Конструкции защиты и обеспечение надёжности ИМС и МСБ. Средства защиты кристаллов и плат. Корпусированные и бескорпусные исполнения ИМС. Корпусы ИМС. Классификация и конструкции корпусов. Конструкции бескорпусных ИМС. Материалы конструктивных элементов средств защиты плат и кристаллов.

Показатели качества конструкций ИМС. Надёжность ИМС. Обеспечение надёжности. Обеспечение теплового режима ИМС. Обеспечение электромагнитной совместимости в ИМС. Обеспечение влагозащиты ИМС. Обеспечение защиты ИМС при механических воздействиях, Нормирование показателей качества ИМС.

Тема 9 Техническая документация на ИМС и МСБ

– 0,5 часа (срс - 6 часов)

Нормативно-техническая и техническая документация. Состав комплекта технической документации на ИМС. Характеристика конструкторских документов проекта по содержанию и требованиям к оформлению.

Эксплуатационная документация на ИМС. Технические условия ИМС. Паспорт, патентный формуляр. Содержание и требования к изложению эксплуатационных документов. Система обозначений документов комплекта.

Тема 10 Перспективные конструкции изделий микроэлектроники

- 0,5 часа (срс - 6 часов)

Функциональная электроника в ИМС Магнитные, оптоэлектронные и акустоэлектронные ИС. Нанотехнология и конструкции ИМС

2.2 Практические занятия и их содержание – 8 часов

Рабочие и справочные материалы размещены в руководстве к проведению практических занятий (см. УМП, [3.3, п.2])

Тема 1 Оценка параметров технологического слоя - 2 часа (8 сем.)

8

Перечень вопросов занятия:

-идентифицировать структурную принадлежность заданного слоя в составе слоев варианта технологической структуры БПТ;

-выполнить графическое представление структуры, разметку заданных концентраций, пространственных размеров слоя;

-выбрать и согласовать применение расчётных соотношений и методик определения параметров слоя (электрической прочности изоляции слоя, удельной ёмкости изоляции слоя, поверхностного сопротивления слоя);

-выполнить расчёты и подготовить рекомендации к применению полученных параметров в проектировании конструкций радиоэлементов ИС.

Тема 2 Проектирование топологии БПТ – 2 часа (8 сем.).

Перечень вопросов практического занятия:

-выбор форм и размеров топологии эмиттера;

-проектирование топологии эмиттера по рабочему току;

-корректировка топологии по рабочему току;

-оценка влияния топологии на усиление БПТ.

Тема 3. Проектирование резисторов п/п ИС – 2 часа (9 сем.).

Перечень вопросов занятия:

-параметры назначения резисторов;

-выбор формы, расчёт размеров топологии резистора п/п ИМС;

-расчёт элементов схемы замещения;

-корректировка размеров.

Тема 4 Анализ защиты ИС от внешних воздействий -2 часа (9 сем.)

Перечень вопросов занятия:

-учет действия влаги ИС;

-учёт механических воздействий на ИС;

-учёт электромагнитных взаимодействий на ИС.

2.3 Лабораторные занятия – 8 часов (9 сем.)

Занятия выполняются по учебному по лабораторному практикуму дисциплины (см.УМП, [3.3, п.1])

Лабораторные занятия 1,2 по анализу конструкций выполняются в форме стендового анализа образцов серийных ИМС ( ГИС и п/п ИМС) с применением микроскопов и компьютерной программы поддерживающей контроль размеров и индексацию элементов на цифровых фотографиях плат и кристаллов ИМС.

Методические указания по выполнению лабораторных работ сопровождаются электронными приложениями с каталогом цифровых фотографий, с программами измерения и разметки геометрически размеров на

9

фотографиях, расчётными методиками и справочными материалами по проектированию. Путь доступа к приложениям приведен в описании лабораторных работ.

2.4 Самостоятельная работа

На самостоятельную работу учебным планом отведено 174 часа. Примерное рекомендуемое распределение этого объема по видам работ приведено в таблице 1.

Таблица 1

Для контроля освоения материалов дисциплины по этапам изучения предлагаются следующие формы:

-перечень общих вопросов по дисциплине для самоконтроля;

-набор тестов для самоконтроля и для тестовой текущей проверки усвоения положений дисциплины;

-наборы вопросов самоконтроля подготовки к исполнению лабораторных работ в составе описаний лабораторного практикума;

-материалы к выполнению двух контрольных работ по дисциплине;

-примерные вопросы и задачи к сдаче экзамена по дисциплине. Перечисленные материалы, за исключением вопросов контроля

самоподготовки к лабораторным работам, включённым в описания работ, вынесены в руководство по самостоятельной работе (см. УМП, [3.3, п.3])

10

3Учебно-методические материалы дисциплины

3.1Основная литература

1. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебное пособие для ВУЗов. (3 изд. - стер.) СпбКраснодар- М.: «Лань», 2009 г.400 с., ил. ЭБС, e.lanbook.com/192

2.Торгонский Л.А. Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров/ Учебное пособие. В 2-х разделах. Томск: ТУСУР, 2011.- Раздел 1. – 254 с., ил.. Электронный ресурс -

http://kibevs.tusur.ru/sites/default/files/upload/manuals/torgonskiy_pims/uchebn oeposobie_r1_1.pdf

3.Торгонский Л.А. Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров/ Учебное пособие. В 2-х разделах. Томск: ТУСУР, 2011.- Раздел 2. – 228 с., ил. Электронный ресурс -

http://kibevs.tusur.ru/sites/default/files/upload/manuals/torgonskiy_pims/uchebn oeposobie_r2_1.pdf

3.2 Дополнительная литература

1.Торгонский Л.А. Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие. В 3-х разделах - Томск: ТУСУР, 2011.– Раздел 3 - 78 с., ил. Электронный ресурс -

http://kibevs.tusur.ru/sites/default/files/upload/manuals/torgonskiy_pims/uchebn oeposobie_r3_1.pdf

2.Березин А.С., Мочалкина О.Р. Технология и конструирование ИМС: Учебное пособие для ВУЗов /Под ред. И.П.Степаненко.- М.: Сов.радио, 1992.- 320 с., ил., (10 экз.).

3.Пономарев М.Ф. Конструкции и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА: Учебник для ВУЗов.- М.: Радио и связь, 1982.-288 с., ил. , (34 экз.).

4.Пономарев М.Ф., Коноплев Б.Г. Конструирование и расчет микросхем и микропроцессоров: Учебное пособие для ВУЗов.- М.: Радио и связь, 1986.-176 с., ил. (17 экз.).

3.3.Учебно-методические пособия и программное обеспечение

Для обеспечения дисциплины используются УМП

1. Торгонский Л.А. Проектирование интегральных микросхем и микропроцессоров: Лабораторный практикум.- Томск: В-Спектр, 2012.– 39 с., ил. Электронный ресурс-

http://kibevs.tusur.ru/sites/default/files/upload/manuals/torgonskiy_pims/pimsi mp_laboratornyy_praktikum.pdf

Приложения к лабораторным работам: http://kibevs.tusur.ru/pages/kafedra/metodicheskoe-obespechenie

-лаб. работа №1

-лаб. работа №2