3.Проектирование бис и микросборок

3.1.Особенности проектирования бис и мсб

Совершенствование технологических процессов микроэлектроники, направленное на уменьшение геометрических размеров элементов и создание многослойной разводки, увеличение размеров кристалла до 10×10 мм и плат до 100×100 мм, применение новых схемотехнических решений способствовали успешному развитию БИС и микросборок. Имеется тенденция создания сверхбольших интегральных микросхем (СБИС).

Как известно, существуют две разновидности БИС: полупроводниковые и гибридные.

Полупроводниковые БИС содержат на одном кристалле сложные функциональные узлы. Разработка их номенклатуры осуществляется в двух направлениях. Первое направление связано с созданием БИС, рассчитанных на широкое применение, но с некоторой избыточностью при выполнении конкретных задач. Результатом этого направления явилось создание БИС микропроцессоров, запоминающих устройств и др. Второе направление основано на использовании нескоммутированных матриц логических ячеек, называемых базовым кристаллом. Конструктивно кристалл матричной БИС представляет собой совокупность регулярно расположенных логических ячеек, между которыми предусмотрены свободные промежутки, необходимые для последующей реализации соединений.

Заданные функции матричная БИС выполняет после формирования соединений.

Гибридные БИС представляют собой коммутационную плату с многослойной разводкой, на которой объединены различные элементы и компоненты, в том числе ИМС и БИС, изготовленные по различным технологиям. Это позволяет обеспечить реализацию широкой номенклатуры функциональных устройств цифрового и аналогового назначения с большим диапазоном электрических параметров.

Для изготовления коммутационных плат используют различные диэлектрические и металлические основания, а также процессы тонкопленочной и толстопленочной технологий.

Разновидностью гибридных БИС являются микросборки. Микросборка (МСБ) – это микроэлектронное изделие типа гибридной БИС, выполняющее определенную функцию и состоящее из элементов, компонентов, ИМС, БИС, изделий функциональной микроэлектроники и других радиоэлементов в различных сочетаниях, разрабатываемое и изготовляемое разработчиками конкретной аппаратуры для улучшения показателей ее микроминиатюризации. По технологии изготовления МСБ не отличаются от гибридных БИС. Однако если гибридные БИС представляют собой законченное изделие общего применения, то МСБ являются изделиями частного применения.

Поскольку процессы разработки, особенно проектирование полупроводниковых и гибридных БИС и МСБ, имеют общую методологическую основу, в дальнейшем (для сокращения) будем излагать материал о проектировании БИС, подразумевая при этом все изделия со степенью интеграции более трех.

При разработке БИС возникает ряд задач и особенностей, не связанных с традиционными представлениями о расчете и проектировании электронной аппаратуры. Это обусловлено прежде всего структурой и конструкцией БИС, интегральной технологией их изготовления и областями применения. По мере совершенствования технологии микроэлектроники, с ростом степени интеграции элементов на подложке функциональная сложность БИС непрерывно возрастает, а выполняемые ими функции приближаются к аппаратурным. В настоящее время имеется реальная возможность построения на одной БИС малых вычислителей (калькуляторов), микропроцессоров, запоминающих устройств, различных преобразователей и т. д.

Следовательно, с одной стороны, БИС можно рассматривать как ИМС, а с другой – как целое устройство. В связи с этим трудно добиться унификации БИС в отличие от цифровых ИМС первой и второй степеней интеграции. Кроме того, сам процесс проектирования БИС отличается от процесса проектирования ИМС с малой степенью интеграции. Так, если в дискретной электронике и электронике ИМС с малой степенью интеграции синтез узлов вычислительных устройств осуществляется на базе известного набора элементов, то в технике БИС синтез схемотехнического решения связан со структурой устройства, предназначенного для интегрального исполнения. В целях унификации БИС целесообразно изготовлять их для определенного класса аппаратуры. Наибольшая эффективность достигается при создании БИС регулярных структур – регистров, счетчиков, запоминающих устройств и др. Наиболее полно возможности БИС, по-видимому, будут реализованы при создании устройств на однородных настраиваемых вычислительных средах. Большие интегральные схемы призваны уменьшать число межсхемных соединений. Поэтому при определении функционального состава БИС важным критерием их качества является число выводов. Минимизация числа выводов является одной из главных задач проектирования БИС.

Разработка и проектирование БИС, как правило, должны быть связаны с проектированием системы в целом. Здесь следует рассматривать: функциональное разбиение системы на отдельные БИС; определение минимального по числу схем набора БИС; резервирование узлов системы; полное использование допустимой степени интеграции для создания многофункциональных схем. Трудность постановки и решения такой задачи состоит в неоднозначности решения и отсутствии в настоящее время научно обоснованных критериев сравнения отдельных решений.

Основная особенность проектирования БИС заключается в одновременном решении комплекса задач, связанных со структурой системы; структурой функциональной схемы БИС; оптимизацией топологии с целью увеличения степени интеграции, уменьшения длины межэлементных соединений, сокращения числа пересечений и паразитных связей; отработкой базовой технологии для производства набора БИС. Так, электрический расчет схемы невозможен без учета особенностей топологического решения. С другой стороны, основные соотношения для определения геометрических размеров отдельных элементов вытекают из электрического расчета и требуемых электрических параметров проектируемых схем.

В последнее время разработаны методы оптимального разбиения систем на отдельные БИС, автоматизации проектирования топологии БИС, уменьшения длины межэлементных соединений и сокращения числа пересечений, оптимального размещения функциональных элементов на кристалле.

Одним из важных этапов разработки БИС является выбор типа базового элемента, на котором планируется реализация БИС, определение логической структуры схемы, электрический и конструктивный расчеты.

Выбор базового элемента должен быть основан на сравнении электрических свойств элементов, потенциально пригодных для интегрального исполнения данной системы. Базовыми элементами могут служить наборы ИМС первой и второй степеней интеграции или новые схемотехнические решения, параметры и характеристики которых проанализированы с помощью ЭВМ. Применительно к схемам на МДП-транзисторах на этом этапе нужно выбрать тип схем (статические на транзисторах с областями одного типа электропроводности, статические на дополняющих транзисторах, динамические двух- или четырехтактные и т.д.), который удовлетворял бы общим параметрам реализуемой системы. Существенным на этом этапе является определение экономически обоснованной степени интеграции проектируемых БИС.

Вопрос о номенклатуре БИС для системы требует использования метода последовательных приближений. Критериями при определении набора БИС должны быть их минимальное число и универсальность. Требование универсальности, с одной стороны, может привести к увеличению общего числа интегральных микросхем в системе, а с другой, при росте степени интеграции – к недоиспользованию логических возможностей схем. При разработке сравнительно больших систем целесообразно пользоваться стандартными интегральными узлами или модулями широкого назначения. При проектировании сложных систем обычно разрабатывают специальные заказные схемы с высокой степенью интеграции. Критериями для разработчиков при определении набора БИС являются общая стоимость системы и число используемых ИМС.

Известно, что при малых площадях полупроводниковых ИМС их стоимость определяется стоимостью корпуса и сборки. При больших площадях ИМС, а следовательно, при высоких степенях интеграции преобладает стоимость изготовления кристалла. Таким образом, прежде чем приступить к разработке структуры БИС, необходимо оценить степень интеграции и площадь кристалла, обеспечивающие желаемый процент выхода годных изделий. Для этого следует иметь данные по снижению процента выхода годных ИМС, структур и элементов на каждом этапе технологического процесса. Технологи должны установить зависимость процента выхода годных кристаллов на каждой из пластин от их площади, закон распределения дефектов в зависимости от расстояния от центра пластины, а также определить плотность дефектов на пластине и процент выхода годных структур на каждой из операций в процессе изготовления. Критериями оценки могут служить электрические характеристики структур. Набор статистических данных дает возможность разработчикам систем оценить экономически обоснованную степень интеграции.

Электрический расчет схем позволяет установить основные соотношения между электрическими параметрами активных и пассивных элементов. Электрический расчет должен быть неразрывно связан с расчетом топологии схем. Повышение качества ИМС и соответствие их электрических параметров техническим условиям должны прогнозироваться с допустимой вероятностью при расчете. Большое значение приобретает оптимизация электрических параметров схем, основанная на результатах расчета и статистических данных технологического процесса.

Таким образом, проектирование БИС – это решение целого комплекса задач схемотехнического, топологического, технологического и конструктивного характера, осуществление которого требует машинных методов расчета и проектирования.