ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р2_1_м

100

5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ БИС

5.1 Введение

Повышение степени интеграции микроэлектронных устройств является объективным продуктом творческой деятельности человека, направленной на создание аппаратуры с высоким уровнем интеграции функций в конструктивных единицах. Философские аспекты этого процесса представляют интерес для особого исследования и выходят за рамки рассматриваемой дисциплины. Технической целью и результатом творческой деятельности являются конструкции, которые должны удовлетворять ряду требований:

–иметь малые габариты и вес;

–иметь малое число входов/выходов в пределе равное числу связей человека с внешней средой через свои органы чувств (звук, зрение и пр.);

–иметь низкое энергопотребление;

–иметь высокую «жизнеспособность», определяемую как надёжность;

–быть реализуемым на известном уровне развития техно-

логии;

–соответствовать скорости восприятия и удобствами производственного и бытового взаимодействия с конечным пользователем услуг — человеком.

Реализация конструкций устройств из массивов микроэлектронных радиоэлементов в виде микросхем позволяет в той или иной степени удовлетворить перечисленные требования повышением степени интеграции радиоэлементов.

С повышением степени интеграции повышается быстродействие микроэлектронных устройств, благодаря снижению линейных искажений вносимых соединениями. Сокращается число внешних соединений и связей вследствие переноса промежуточных соединений и связей во внутрь интегрированного микроэлектронного устройства при сохранении неизменным их общего числа. Совершенствование существующих и создание новых технологических процессов производства в части повышения разре-

102

Номенклатурный перечень проектируемых БИС формируется в рамках следующих двух концепций:

–создания БИС широкого диапазона применений с функциональной избыточностью (микропроцессорные БИС, микросхемы памяти, преобразователи, программируемые матрицы);

–использования коммутируемых (без металлизации) и программируемых матриц логических ячеек (базовые матричные кристаллы — БМК).

Каждая из названных концепций имеет свои позитивные и ограничительные черты, которые определяются мировоззренческим соотношением свойств частного и общего, специализированного и универсального. Применение технологии БМК позволяет при определённых условиях снизить сроки и затраты на проектирование полупроводниковых БИС.

В ГИМС, как и в полупроводниковых ИС, высокая степень интеграции обеспечивается объединением на одной подложке элементов и компонентов, которые, в свою очередь, исполняются по различным технологиям, включая кристаллы полупроводниковых БИС. Это позволяет обеспечить широкий диапазон электрических параметров и решать сложные инженерные задачи по созданию микроэлектронной аппаратуры.

Технология БГИС по существу является развитием методов многослойного «печатного» монтажа. Конструкции современных БГИС содержат совокупность кристаллов бескорпусных ИС и БИС, объединенных проводной коммутационной разводкой (коммутационной платой) в функциональный комплекс, называемый микросборкой.

5.2 Проблемы проектирования БИС

Повышение степени интеграции ИМС естественным образом сопровождается и порождает ограничения и проблемы разнообразного свойства, в ряду которых выделяются следующие [1, 3, 4, 9, 10, 12, 14]:

–уменьшения геометрических размеров элементов ИМС;

–увеличения размеров конструкций, реализуемых методами групповой технологии производства (кристаллов, плат);

–совершенствования элементной базы устройств;

103

–совершенствования структурной организации устройств;

–совершенствования конструкций корпусов;

–совершенствования средств проектирования, сопровождения проектов в производстве и эксплуатации.

Возможности уменьшения геометрических размеров радиоэлементов ИМС определяются, с одной стороны, необходимыми электрическими параметрами, а с другой — разрешающей способностью технологических процессов и оборудования. Технические методы и оборудование производства изделий микроэлектроники совершенствуются, приближая минимальные геометрические размеры элементов к предельным значениям, сравнимым с длиной световой волны. Дальнейшее повышение степени интеграции может достигаться для принятой технологии увеличением размеров кристаллов и плат, развитием конструкций объёмного исполнения. Реализация технологических процессов производства БИС становится доступной исключительно автоматическому и автоматизированному оборудованию.

Увеличение размеров конструкций кристаллов и плат сопровождается повышением процента бракованных изделий в процессе производства. Обеспечение приемлемого процента выхода годных изделий при увеличении размеров конструкций кристаллов и плат является достаточно острой проблемой их производства. Требования к качеству технологического процесса характеризуются выражением [10]

где P —процент выхода годных изделий;

В — коэффициент производственной «поражаемости» изде-

лий;

d — плотность на единице площади изделия; S — площадь, занимаемая изделием.

Согласно выражению (5.1), процент Р выхода годных БИС уменьшается с увеличением площади кристалла или платы. Эту зависимость можно улучшить, совершенствованием качества технологии путем уменьшения коэффициента «поражаемости» В и плотности дефектов d.

Коэффициент производственной «поражаемости» БИС рассматривается как отношение части площади, дефект на которой

104

выводит изделие из строя, к полной площади, занимаемой БИС. В свою очередь, плотность дефектов есть число поражающих дефектов на единице площади пластины.

Высокая плотность упаковки и увеличение числа элементов на кристалле повышают энергопотребление и тепловыделение быстродействующих микроэлектронных устройств и обуславливают повышение удельной мощности рассеяния до (10–20) Вт/см3. Отвод таких мощностей требует проектирования специальных конструкций корпусов с принудительным охлаждением.

Высокие быстродействие схем (менее 1 мкс) и энергопотребление приводят к повышению скорости переключения тока до значений dI/dt ≈ (10–20)∙106 А/с, вследствие чего даже незначительные индуктивности монтажа вызывают существенные колебания напряжения питания и обостряют проблему влияния паразитных связей и помех.

Острота названных проблем снижается применением элементной базы адекватной уровню проблем. Наиболее эффективные по энергии переключения логические элементы, исполненные по биполярной и полевой технологии рассмотрены в разд. 2, 3 пособия. В основу новых схемотехнических решений по элементной базе закладывается снижение рабочих потенциалов логических уровней до единиц термического потенциала и рабочих токов до единиц микроампер. Структуры и решения, направленные на сокращение потерь рабочей площади кристалла, обсуждались в подразд. 2.20.

Совершенствование структурной организации устройств высокой степени интеграции осуществляется в направлениях:

–разбиения изделия на функционально полные конструктивные модули с целью снижения потерь от обработки бракованных изделий;

–разбиения изделия на функционально полные конструктивные модули для покрытия спроса на рынке этих функциональных изделий;

–поиска и проектирования новых структурных образований для достижения более совершенных функциональных и параметрических качеств устройств.

Повышение степени интеграции, сопровождаемое увеличением габаритов кристаллов и плат, обуславливает увеличение

105

размеров установочной (монтажной) зоны корпусов ИМС и, преимущественно, сопровождается увеличением числа выводов для внешних соединений изделий. Названные факторы требуют, наряду с решением задач проектирования кристаллов и плат, решения задачи проектирования новых конструкций корпусов (увеличенных размеров при повышенном числе выводов). Если корпуса микросхем первой, второй степени интеграции имели 12–40 выводов для внешних подключений, то корпуса современных микропроцессоров имеют более 60–200 выводов и являются многослойными коммутационными платами, оборудованными выводами внешних подключений. Параллельно решаются проблемы совершенствования структурной организации устройств в части сокращения числа выводов внешних связей использованием ресурсов последовательной передачи информации.

Следствием усложнения функций, выполняемых БИС, и увеличения числа выводов является усложнение и повышение трудоёмкости контроля функционирования и проведения испытаний БИС. Функциональный контроль БИС без применения специализированного автоматического оборудования становится невозможным.

Повышение степени интеграции существенно повышает трудозатраты по выполнению проектно-конструкторских работ, составной частью которых является проектирование топологии микросхем. Согласно [4] трудоемкость ручного проектирования БИС может быть приближенно оценена следующими формулами:

для аналоговых схем,

для цифровых схем.

В выражениях (5.1) N есть число элементов БИС, а Тi — трудоемкость проектирования, в часах. При N = 10000 время проектирования составляет около 4500 часов при годовом ресурсе рабочего времени одного проектировщика 2200 часов. К приведенной оценке следует добавить проблему обнаружения и ис-

106

правления ошибок проектирования, число которых повышается с увеличением числа компонуемых элементов.

Применение средств систем автоматизированного проектирования (САПР) БИС снижает трудоемкость проектирования до значения, определяемого по формуле [5]

Уже при четвёртой степени интеграции рост ошибок, вносимых при ручном проектировании, и затрат времени на их обнаружение и исправление делает процесс достижения положительного результата проектирования проблематичным.

Проектирование БИС без применения САПР становится практически невозможным, как по срокам исполнения и внедрения проекта в приемлемые сроки, так и самому факту экономически оправданного достижения результата.

Применение и совершенствование средств автоматизации проектирования на разных этапах этого процесса, средств автоматизированного и автоматического сопровождения проектов в производстве и эксплуатации изделий повышенной степени интеграции является основной составляющей технического обеспечения проектов проектирования БИС.

5.3 Этапы проектирования БИС

Проектирование БИС в основном проходит те же этапы, что и проектирование микросхем низкой и средней степени интеграции с учётом ограничений функциональной специализации состава при повышенной стоимости изделий. Кроме этого в проектировании БИС широко используются каталогизированные конструкции функциональной элементной базы разных уровней функциональной иерархии.

Независимо от типа конструктивного и технологического исполнения, в процессе проектирования БИС выделяются этапы:

–оценки функциональной сложности БИС;

–выбора базовых элементов (модулей) принципиальносхемной или функционально-схемной организации;

107

–структурного и функционального проектирования БИС в выбранном базисе функциональных модулей;

–проектирования принципиальных схем БИС;

–проектирования (или выбора из библиотек) топологических фрагментов базовых функциональных модулей;

–проектирования топологии кристалла (платы) БИС;

–проектирования средств защиты кристаллов (плат конструкции БИС от механических повреждений, защиты от перегрева, влияния влажности и внешних облучений, средств монтажа и электромонтажа в конструкциях последующего ранга;

–проектирования и исполнения конструкторско-технологи- ческой документации БИС;

–проектирования аппаратных и программных средств управления производством и контролем изделий в процессе производства.

Деление на перечисленные блоки преследует цель распараллеливания работ, которые тем не менее взаимосвязаны и требуют совместного решения задач анализа, синтеза и оптимизации. Объёмы работ с увеличением числа объединяемых элементов, как отмечалось, характеризуются значительными затратами времени, и решение задач проектирования опирается на средства комплексной автоматизации процесса и проектирования и производства.

Комплексный характер задач позволяет выделить в полном цикле автоматизированного проектирования БИС совокупность подсистем:

–информационно-логического проектирования;

–схемного проектирования;

–конструкторского проектирования;

–технологического сопровождения производства.

Задачи подсистемы информационно-логического проектирования связаны с выполнением работ первого этапа проектирования в части формулировки принципов построения БИС, алгоритмов ее функционирования и логического описания с различным уровнем детализации.

Задачи подсистемы схемного проектирования соответствуют работам второго — четвёртого из перечисленных этапов. На выходе подсистемы генерируется принципиальная схема БИС с

108

предложениями по «разрезанию» её на части для распараллеливания работ по проектированию конструкции (если в этом есть необходимость). В рамках этой подсистемы вводятся ограничения и генерируются диагностические тесты для контроля соответствия электрических показателей частей и БИС в целом.

Последующие этапы, исключая последний этап, относятся к подсистеме конструкторского проектирования. Конструкторское проектирование сопровождается выпуском конструкторскотехнологической документации, необходимой для изготовления БИС. Эта подсистема оперирует требованиями и ограничениями подсистемы схемотехнического проектирования, с одной стороны, а с другой стороны — должна учитывать возможности и ограничения технологии производства объектов конструкции БИС.

Выполнение перечисленных задач опирается на опыт проектирования либо подобных устройств, либо их составных частей, какими являются конструкции базовых модулей состава БИС.

Весьма позитивное значение имеет объективная реальность параллельного развития технических средств вычислительной техники и методов её применения в проектировании и управлении. Унификация конструкций, создание баз данных и архивов позволяют радикально сокращать затраты времени на проектирование и производство новых устройств, встраивая в них приемлемые конструкции из предшествующих проектов. Подобно принципам компиляции символьных представлений в языковых средах программирования вычислительных средств, предложены компиляторы для покрытия электрических принципиальных, функциональных, структурных базовыми топологическими (конструктивными) формами конструктивных единиц (модулей состава). Особо полезной является компиляция в конструктивные формы для регулярных схемных построений, характерных для вычислительных устройств. Преобразование схемных представлений устройств в базисе модулей для исполнения по кремниевой технологии осуществляется так называемыми кремниевыми ком-

пиляторами.

Широкое применение компиляторов конструктивных форм позволяет эффективно реализовать новые структурные решения для БИС в пределах применимости выбранного элементно-конст- руктивного базиса.

109

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.