|
| |
|
Главная Журналы ются расстояния от края платы по осям х н у д,о первого ряда контактных площадок кристаллов с проволочными и балочными выводами или до края кристаллов с шариковыми или столбиковыми выводами; 1хкр, /укр - установочные размеры кристалла; /хкр, укр -шаги установки кристаллов по осям X и у.  Рис. 3.7.2. Эскиз раз-* мещения кристаллов на плате: / - зона расположения кристаллов (рабочее поле); 2 -зона краевого поля технологическая; 3 - зона расположения контактных площадок; 4 - кристаллы; 5 - зона теплового влияния Положив л:1к«л:2к, г/1к»г/2к, из простых геометрических соотношений найдем связь между геометрическими размерами платы, количеством кристаллов в ряду и количеством рядов: Lx - 2 %к - 1х кр , , «кр x = +1; зскр Ly - 2 у ik - ly кр "кр у - 3 + i , (3.7.1) (3.7.2) Количество кристаллов «кр, которое может быть размещено на плате, равно: Инр=Якр1Пкру. При известном количестве кристаллов Пкр можно ориентировочно установить количество кристаллов в ряду «„рх, количество рядов п„ру (для прямоугольных плат п„ру«2«„рх/3) и яз соотношений (3.7.1), (3.7.2) определить размеры платы Ly. Стандартный типоразмер платы выбирается по данным табл. 2.2.1. Установочные размеры кристаллов Ixk, 1укр приведены в ОСТ 4Г0.010.043 «Узлы и блоки радиоэлектронной аппаратуры на микросхемах. Микросборки. Установка бескорпусных элементов и микросхем. Конструирование». Шаги установки хкр, 1укр определяются так, чтобы обеспечить необходимые размеры зоны коммутации (площадь для коммутации проводников) или зоны теплового влияния (Д/хт, Мут). Ориентировочный размер зоны коммутации принимается равным половине установочной площади кристалла. Следовательно, з:нрг;нр«1,5/хкр/унр; хкр« 1,25/жкр, tyKp~l,251укр, так как «кр/укр» Размеры зоны теплового влияния Д/хт, Д/т зависят от мощности источника тепла. Эти размеры можно выбрать по справочным данным или рассчитать по формуле (3.2.14). На границе зоны теплового влияния температура перегрева приблизительно на порядок меньше температуры перегрева в точке подложки с координатами xoi«0, !/oi«0, соответствующей центру источника тепла. Таким образом, исходя из условия тепловой совместимости шаги установки кристаллов должны быть равны: /хкр=/хкр-Ь2Д/хт, укр=«кр-Ь2Д/ут. Окончательно выбираются max [/хкр, укр]. Рекомендуемые размеры краевых полей, количество, размещение и размеры периферийных контактных площадок приводятся в соответствующих отраслевых стандартах. На.рис. 3.7.3 приведен пример размещения кристаллов, прокладки шин питания и земли, трасс сигнальных цепей на коммутационной плате с двухслойной металлизацией. Пространственная ориентация кристаллов условно обозначена точками. Проводники однюло слоя показаны (непрврыв- зоопапо -ODDDDDO аороорп-1 йпаоойо- flDDDDDD- □ □□□□о- ны.м1и, второго штриховыми ли- т ниями. Шины 1питани1я и земли I прокладывают мсяеду рядами или стал6цам1и кристаллов в даответ- I-°°°°° ствии с рекомендациями, изложенными ib § 3.3. Ори этом упрощается вся iCHcreMia шммутации. Отдельные участии шин питания и земли могут раополагатьоя в разл;ичных слоях, чтобы устра-йить пересечения яроводииков. Пленочные проводники сигналь--ных цепей (проводят в двух слюях б (ВИДе ОрТОПОнальных отрезков р„с. 3.7.3. Пример трассировки ком-ирямых. Переход ИрОВОДИИка из мутационных проводников в ГИС с слоя в слой осуществляется в уз- регулярной структурой лах координатной сетки. При проектировании сложных коммутационных плат с регулярным расположением однотипных кристаллов, как правило, используются автоматизированные системы проектирования. Совместное решение задач размещения кристаллов и трассировки проводников связано с большими трудностями ввиду сложных взаимосвязей .между схемой соединений и параметрами конструкции. Обычно сначала решают задачу размещения кристаллов с учетом определенных требований трассировки, а затем производят трассировку межсоединений. Для автоматизированного проектирования топологии должны быть следующие исходные данные: схема электрических соединений или список цепей; размеры подложки; посадочные места кристаллов и координаты контактных площадок; шаг опорной сетки; конструктивно-технологические ограничения (ширина проводников, расстояние между проводниками, размеры контактных площадок и межслойных контактов, возможность проведения проводников между контактами навесных элементов и др.); пространственная ориентация (кристаллов; области подложки, занятые шинами питания, контактными площадками для внешних выводов; фиксированное положение контактных площадок для подключения питания, заземления и других цепей, устанавливаемое исходя из упрощения коммутационной платы модуля более высокого ранга; посадочные места некоторых кристаллов, определяемые конструктором из особенностей функционирования интегральных схем, обеопечения ломехоустойчивости, нормальных тепловых режимов, связи кристаллов с внешними контактными площадками и т. п. при решении задачи размещения кристаллов используют следующую математическую модель: кристаллы представляются вер-шинами некоторого графа; ребрам графа соответствуют электрические связи между кристаллами; вес ребра определяется количеством связей Между парами кристаллов. Известные алгоритмы размещения элементов [7] оптимизируют следующие показатели качества: суммарную длину соединений, число перечислений соединений, длину самой длинной связи. Однако в большинстве случаев используется критерий, минимизирующий суммарную длину соединений, который интегрально учитывает ряд требований, предъявляемых к расположению элементов и трасс их соединений. При уменьшении длины соединений улучшаются электрические параметры ИС (быстродействие, помехоустойчивость), проще осуществляется реализация проводников в процессе трассировки, сокращается время изготовления конструкторской документации с помощью АСП и др. Задача трассировки состоит в построении для всех цепей схемы оптимальных монтажных соединений с учетом конструктивно-технологических ограничений, определяемых особенностями конструкции и технологии изготовления коммутационной платы и способом монтажа кристаллов. Например, при использовании толстопленочной технологии и кристаллов с жесткими выводами не представляется возможным прокладывать трассы между выводами кристалла. В то же время в коммутационных платах на основе полиимидной пленки можно сформировать достаточно узкие коммутационные проводники (50 мкм), свободно про.ходя-щие между контактными площадками. Такие требования, как минимум числа пересечений, числа переходов мелоду слоями в двух- или многослойной коммутационной плате, выдвигаемые исходя из обеспечения высокой надежности ИС, повышения процента выхода годных н. высокой плотности монтажа, могут выступать как в качестве критериев оптимизации, так и в качестве ограничений. При трассировке монтажных соединений применяют волновой алгоритм и его модификации, алгоритм трассировки по магистралям и каналам, комбинированные алгоритмы [7]. Для повышения эффективности работы оборудования задача трассировки для каждой электрической цепи решается в два этапа. На первом с помощью модифицированного лучевого алгоритма или алгоритма трассировки по магистралям устанавливают ограниченную рабочую область, состоящу юиз сети магистралей. На втором этаие с помощью волнового алгоритма строят минимальное стягивающее дерево, соединяющее контактные площадки трассируемой цепи. В платах с двухслойной металлизацией горизонтальные участки трасс относятся к одному слою, а вертикальные - к другому (см. рис. 3.7.3). В точках сопряжения вертикальных и горизонтальных трасс вводятся межслойные переходы (см. дерево б на рис. 3.7.3). На заключительном этапе редактирования тополо- гни отдельные сопряженные участки располагают в одном слое (см. Бстш а, в, г, на рис. 3.7.3), лишние переходы устраняют. Конструкторская документация составляется в соответствии с требованиями ЕСКД (ГОСТ 2.702-69; ГОСТ 2.307-69; ГОСТ 2.101-69; ГОСТ 2.109-69) и дополнительными требованиями соответствующих отраслевых стандартов. В полный комплект конструкторской документации на ГИС входят следующие документы: спецификация, сборочный чертеж, схема электрическая принципиальная, топологические чертежи платы, частные технические условия (ЧТУ). Правила оформления ЧТУ изложены в общих технических условиях на ГИС. На ИС частного применения, не подлежащие поставке другим предприятиям, ЧТУ, как правило, не составляются. Сборочный чертеж должен содержать достаточное число видов, проекций, сечений и разрезов для того, чтобы показать взаимное расположение всех составных частей микросхемы и способ их закрепления. В технических требованиях, приводимых «а сборочном чертеже, должны содержаться сведения о сборке, окраске, маркировке изделия и ссылка на документы, регламентирующие электрические параметры изделия и способ их измерения. Топологическому чертежу присваивают наименование «Плата» и обозначение с десятичной характеристикой 7.100 или 7.107. На первом листе топологического чертежа должна быть изображена подложка со всеми нанесенными на нее слоями с указанием позиционных обозначений элементов в соответствии с электрической принципиальной схемой. На последующих листах помещают изображение каждого слоя. На изображениях всех контактных площадок платы на первом листе топологического чертежа должны быть проставлены их обозначения (номера). Задание раз- меров элементов рекомендуется производить координатным методом (ГОСТ 2.307-78). глава 4 Активные и пассивные элементы полупроводниковых ИС § 4.1. Методы изоляции элементов ИС Полупроводниковые элементы ИС формируются в приповерхностном объеме полупроводника. Полупроводниковый материал, используемый в ИС, характеризуется сравнительно высокой проводимостью. Если не предусмотреть специальных мер, то между элементами ИС возникнут паразитные связи, нарушающие ее работу. Для полного исключения или существенного ослабления нежелательных связей между элементами ИС используются раз- личные виды изоляции: с помощью р - и-переходов, диэлектри ческая, комбинированная. Изоляция /? - п-переходами. Обратносмещенный р - п-пере ход характеризуется достаточно малым током утечки и барьер ной емкостью. В его эквивалентной электрической схеме (рис 4.1.1) VD - идеальный диод; С-барьерная емкость; i?y -сон ротивление, отражающее наличие тока утечки через переход. Вы
 Рис. 4.1.1. Обратносмещенный р-п-пе-реход (а) и его эквивалентная схема (б) Рис. 4.1,2. Изоляция полупроводниковых областей /г-типа от подложки р-типа с помощью обратносмещенных р-«-переходов (а, б) и упрощенная электрическая схема полупроводниковой структуры с изолированными «-областями (в) сокое сопротивление утечки позволяет использовать р -«-переходы для изоляции элементов л олу провод пиковых ИС. Для этого в. приповерхностном объеме кристалла с определенным типом проводимости (чаще всего р-типа) различными технологическими приемами (диффузия или ионная имплантация - рис. 4.1.2,а и комбинация диффузии и эпитаксиального наращивания - рис. 4.1.2,6) создаются «островки» определенных размеров с противоположным типом проводимости. «Островки» отделены от материала подложки изолирующими р-л-переходами. Наиболее часто подложка находится под нулевым потенциалом, а «островки под высоким положительным потенциалом, так что изолирующий р -л-переход смещен в обратном направлении. Поперечное сечение изолированных областей имеет форму кармана, поэтому эти области условно называют карманами. Обычно карман используется в качестве одной из областей активного (коллектор или база биполярного транзистора, исток или сток МДП-транзистора) или пассивного (резистивная область резистора, обкладка конденсатора) элементов ИС. В кармане формируются один или несколько элементов ИС. Карманы имеют сопротивление утечки Ry и барьерную емкость С (см. рис. 4.1.2,б). Это паразитные параметры элементов конструкции ИС. В современных конструкциях удельная емкость изолирующего р - л-перехода около 3-10- пФ/мкм. Наличие таких емкостей снижает частотный «потолок» ИС. Из-за общего сопротивления полупроводниковой подложки возможна также паразитная гальваническая связь между элементами ИС, помещенными в изолированные области. Для устранения этой связи необходима металлизация противоположной стороны пластины подложки (рис. 4.1.2,в). Подложка обязательно должна быть заземлена по переменному току. Достоинством изоляции р - п-переходом является простота ее технологической реализации, а недостатками-зависимость сопротивления утечки от температуры и уровня радиации, необходимость подачи напряжения обратного смещения и зависимость барьерной емкости от напряжения смещения нар - п-пере-ходах, а также наличие паразитных связей через подложку. Кроме того, этот вид изоляции при использовании наиболее широко применяемого метода разделительной диффузии не позволяет получить высокую плотность компоновки элементов микросхемы. Предполагая, что фронт разделительной диффузии распространяется одинаково как в глубь подложки, так и в стороны под окис-«ую пленку, легко убедиться в том, что расстояние между изолированными областями а должно быть больше удвоенной толщины h эпитаксиального слоя (см. рис. 4.1.2,6). При формировании карманов методом диффузии удается получить достаточно высокую плотность компоновки, однако в этом случае материал кармана неоднородно легирован в направлении, лерпендикулярном поверхности подложки, что не позволяет получить качественные транзисторы ИС из-за высокого сопротивления тела коллекторной области и повышенного напряжения насыщения t/кэнао- При изоляции элементов с помощью р - п-переходов наиболее часто применяются подложки р-типа из кремния, легированного бором, с удельным сопротивлением 10 Ом-см-(КДБ10). Толщина подложки около 200 мкм, поверхность обрабатывается по 14 классу. Диэлектрическая изоляция. Применение пленочных и объемных диэлектриков позволяет ползчить высококачественную изоляцию элементов ИС, характеризующуюся малой паразитной емкостью, высоким сопротивлением утечки и высокой электрической прочностью. На рис. 4.1.3 показан пример изоляции «островков» кремния п-типа (/) с помощью тонкой пленки окиси кремния (2). Подложка ИС (3) вылолнена из поликремиия. Для изготовления такой изоляции используется эпик-лроцесс. Изолирующую пленку создают методом термического окисления (толщина пленки Si02 1 ... 1,5 мкм) или пиролитическим осаждением (толщина пленки единицы - десятки микрометров). Практически используются пленки толщиной не более 4 мкм. С увеличением толщины пленки улучшаются электрические параметры изоляции (уменьшается емкость, увеличивается сопротивление изоляции), однако из-за разницы в температурных коэффициентах линейного расширения (ТКЛР) кремния и пленки окиси кремния в толстых пленках возникают большие механические напряжения, 5-113 129 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 [ 20 ] 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 |