5.4 Элементная база бис. Матричные кристаллы

5.4.1 Введение

Основным требованием к элементам БИС, как отмечалось, являются минимизация их геометрических размеров и площади кристалла, используемой для изоляции элементов на кристалле. Это требование реализуется в интегральной инжекционной логике (И²Л), структурах БПТ с комбинированной изоляцией, с диодами Шоттки и МДП транзисторах.

Схемотехнические и структурно-топологические исполнения логических элементов (вентилей) И²Л и МДП исполнений рассмотрены в разд. 2.15.2, 2.19.5, 2.19.6, 3.2.3 — 3.2.5.

В проектировании БИС применяются различные подходы в части обеспечения преемственности технических решений предшествующих и последующих проектов, среди которых, как отмечалось, важное место занимают архивы, библиотеки и каталоги отработанных конструкций элементов, узлов, блоков, устройств [3, 4, 14]. С применением готовых конструкций составных частей задачи конструкторского проектирования в значительной мере переходят в область структурного комплексирования.

Распространённой формой такого комплексирования является проектирование устройств на матричных кристаллах.

5.4.2 Библиотечный набор функциональных элементов и узлов

В состав библиотечных наборов схемно-топологических конфигураций базовых модулей включаются [14]:

• ячейки несоединённых радиоэлементов (см. рис.5.1);

• ячейки логических вентилей типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ (см. рис. 5.2);

• триггеры, регистры, счетчики, полусумматоры, шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры, усилители и др.;

• функциональные устройства памяти цифровых и аналоговых интерфейсов, процессорных модулей.

Рисунок 5.1

Специализация БИС осуществляется путем нанесения дополнительных слоев металлизации на готовую пластину или удалением части соединений в начальном полном наборе соединений.

Для применения в качестве базовых фрагментов радиоэлементы модулей (ячеек) матричных БИС могут быть соединены в вентильные матрицы, блоки, устройства (см. рис 5.2), и специализация БИС осуществляется на уровне их внешних соединений. При использовании ячеек несоединённых радиоэлементов (см. рис. 5.1) специализация БИС осуществляется избирательными соединениями в ячейках и между ячейками, обеспечивая более полное использование площади кристаллов в расширенных функциональных приложениях.

Активными приборами вентильных матриц являются МДП-структуры, БПТ-структуры, И²Л-структуры для разнообразных схемных включений (ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ, одноканальных, комплементарных, функционально-интегрированных и проч.).

Рисунок 5.2

Топологические документы модулей библиотеки проектируются на основе документов базовых модулей соответствующего иерархического уровня. При этом учитываются конструктивно-технологические ограничения и частные технические требования, обусловленные особенностями последующей трассировки электрических связей, расположением и подключением шин питания и заземления, общими для всех фрагментов рекомендациями по расположению входов и выходов.

В конструировании ИС на основе матричных кристаллов вручную используются аппликации фрагментов библиотек, выполненные в определенном масштабе на прозрачном материале. Эти аппликации размещаются на чертеже поля базового кристалла.

При автоматизированном проектировании информация о топологии функциональных элементов хранится в библиотеках базы данных ЭВМ. Топологические фрагменты обычно имеют прямоугольную форму. Для повышения плотности компоновки и упрощения процесса проектирования один или оба размера всех фрагментов выполняются кратными принятому базовому размеру модуля.

Электрическими параметрами функциональных элементов библиотечного набора являются: среднее время задержки, потребляемая мощность, абсолютная или относительная помехоустойчивость, перепад логических уровней и их абсолютные величины, коэффициенты объединения по входам и выходам, количество источников питания и требования к их параметрам, габаритные и присоединительные размеры ячеек (матриц). Обобщенным параметром элементной базы является фактор качества, равный произведению потребляемой мощности на среднее время задержки.

Базовые матричные кристаллы являются универсальными «кристаллами-заготовками». Для изготовления специализированных БИС на их основе (матричных БИС) проектируются и изготавливаются 1–3 заказных фотошаблона (маски), с помощью которых на заключительных технологических операциях формируются электрические связи по заданной принципиальной электрической схеме. Процесс проектирования и изготовления специализированных БИС сводится к исполнению трассировки и технологической реализации необходимых электрических соединений. 

Для сравнения в таблице 5.1 приведены технико-экономи-ческие характеристики микроконтроллера, выполняемого в виде трех различных конструктивных исполнений:

• печатной платы с универсальными микросхемами средней степени интеграции (СИС);

• полузаказной БИС на основе БМК (заказ на кристаллы с массивом матричных ячеек или на микросхемы с избирательной коммутацией этих ячеек);

• заказной специализированной ИС, разработанной методом полного проектирования для рассматриваемых вариантов его исполнения.

Наглядное представление о зависимости стоимости от объема производства модулей дает рисунок 5.3. Нормирование стоимости проведено относительно стоимости печатного модуля при больших объемах производства N, когда она в основном определяется стоимостью микросхем.

Анализ данных табл. 5.1 и рис. 5.3 позволяет сделать следующие выводы:

• применение специализированных БИС (заказных и полузаказных) позволяет более чем на порядок уменьшить площадь, занимаемую модулем в аппаратуре;

• полузаказные БИС на основе БМК выгодно применять при средних объемах производства (тысячи — десятки тысяч штук);

• время проектирования устройства в виде печатного модуля и матричной БИС примерно одинаково;

• при больших объемах производства (сотни тысяч — миллионы штук) наименьшую стоимость имеют заказные БИС, выполненные методом полного проектирования, но время проектирования модуля увеличивается в три-четыре раза;

• использование метода стандартных ячеек при проектировании заказных БИС позволяет уменьшить время и затраты на разработку, однако при этом несколько повышается стоимость БИС при больших объемах производства из-за увеличения площади кристаллов и соответственно снижения процента выхода годных кристаллов;

• устройства на БМК выгодно применять при проектировании широкого класса БИС высокого быстродействия, достигаемого благодаря минимизации длины пленочных проводников;

• логические матрицы, программируемые в условиях производства (ПЛМ), выгодно применять для изготовления небольших партий специализированных БИС, так как требуются не большие затраты на программирование при использовании специальных программаторов.