Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1990/D19900125Elc017.shtml

Перспективные методы проектирования устройств на специализированных ИС

УДК 621.3.049.77

Милюн Л. Бушбом (Milton L. Buschbom)
Редакция Electronics

Milton L. Buschbom. ASIC design decisions demand broader perspective, ED, 1990, No.1, pp.145—148,153,154.

Рассматриваются проблемы конструирования систем, содержащих новейшие специализированные ИС с очень малым шагом расположения выводов. Размещение подобных схем в ограниченном объеме требует перехода к новым методам сборки. Весьма перспективно, в частности, использование многокристальных модулей с кремниевыми подложками.

Проектные решения, которые принимаются разработчиками современных и перспективных систем, содержащих специализированные ИС, опираются на два основных положения. Во-первых, из-за постоянного повышения сложности, быстродействия и числа вентилей в таких схемах возможности существующих методов создания межсоединений достигают предельных уровней. Межсоединения вызывают все больше нареканий, создают проблемы и приводят к отказам.

С другой стороны, перспективы создания специализированных ИС системного уровня, которые с достаточной экономической эффективностью объединяли бы на кристалле приборы различных типов, остаются не вполне ясными. Даже в самых современных специализированных ИС, содержащих до 100 000 вентилей, не остается достаточной площади для размещения дополнительных блоков памяти или аналоговых узлов.

Разработчикам необходимо отказаться от традиционной методологии проектирования и глубоко укоренившихся способов мышления. Им следует пересмотреть свой технический багаж и подойти к процессу проектирования с новых позиций, учитывая более широкие перспективы. Подобный новый подход создаст базис для выработки определяющих решений по проектированию систем на специализированных ИС в 1990-х годах (см. врезку «Изменение правил принятия решений»). Поэтому сегодняшние разработчики ориентируются на четыре базовых показателя — производительность, плотность упаковки, универсальность и сохранение капиталовложений, которые оправдывают необходимость перехода к новому поколению систем со специализированными ИС.

В типичном случае обосновать выпуск новой системы, которая с самого начала оказалась бы конкурентоспособной, может только удвоение ее производительности. Двукратное улучшение обеспечивают три критических элемента: правильное сочетание технологий производства ИС, выбор системной архитектуры и технологии сборки.

Если разработчику не удалось удвоить производительность, то для успеха проекта он должен в четыре раза повысить плотность упаковки компонентов. Такая задача решается за счет увеличения числа вентилей, применения более сложных специализированных ИС или более компактных устройств памяти. Следовательно, разработчикам необходимо концентрировать свое внимание на методах сборки, которые во многом определяют успех проекта.

Третий принцип — универсальность — определяет простоту изменения конфигурации системы. Добавление или замена плат подсистем не должна вынуждать пользователя разбирать все устройство. Универсальность подразумевает также эффективность объединения различных узлов: аналоговых, цифровых, а также памяти и связных интерфейсов.

Наконец, если разработчику не удается оправдать создание новой системы, опираясь на первые три положения, ему остается найти такое сочетание производительности, плотности упаковки и универсальности, которое сохранит капитал, инвестированный в действующие производственные мощности.

Решения, которые принимаются с учетом этих ключевых факторов, оказывают заметное влияние на будущие достижения в сфере систем на специализированных ИС. Однако самыми главными на начальном этапе проектирования остаются вопросы выбора методов сборки и средств проектирования, а также производственные соображения. Для разработчика уже недопустимо концентрировать свое внимание лишь на проблемах элементной базы. Важность этого обстоятельства усиливается с появлением специализированных ИС еще большего размера и их влиянием на общие принципы проектирования. Площадь кристаллов сейчас достигла 232 мм2, что соответствует линейному размеру около 15 мм на сторону. Такие показатели являются предельными для современных установок прямого пошагового экспонирования, с помощью которых изображение топологии переносится на поверхность кремния.

Ограниченные возможности установок пошагового экспонирования

За редкими исключениями установки пошагового экспонирования и совмещения, функционирующие с уменьшением в пять раз, не позволяют получать изображений с размерами более 15 мм. Подобное технологическое ограничение в сфере специализированных ИС останется в силе еще три-пять лет. Более того, она устанавливает границу, определяющую минимальную величину шага размещения межсоединений.

Предварительная оценка требуемого для специализированной ИС числа сигнальных линий ввода-вывода может быть выполнена по правилу Рента, установленному для микропроцессорных устройств (рис.1) в виде функции от количества вентилей, которое требуется для построения системы. По правилу Рента, число каналов ввода-вывода равно удвоенному корню n-й степени из числа вентилей — 2 × (число вентилей)1/n.

Предварительная оценка числа межсоединений, необходимых специализированной ИС, выполняется по правилу Рента. Если число вентилей превышает 30 000
Рис.1. Предварительная оценка числа межсоединений, необходимых специализированной ИС, выполняется по правилу Рента. Если число вентилей превышает 30 000, то рост числа сигнальных линий ввод-вывода для организации связей между кристаллами по отношению к числу вентилей замедляется.

Для системы, построенной из пяти БИС с уровнем интеграции около 30 000 вентилей на кристалл, n будет равно 2, 3. Если степень интеграции увеличится с 30 000 до 100 000, n возрастет до 2,5. В результате число сигнальных линий ввода-вывода, необходимых для организации связей между ИС, будет по отношению к числу вентилей расти медленнее. Этот принцип останется в силе независимо от того, где будет установлена специализированная ИС — в гибридной схеме или непосредственно на печатной плате. Чем больше системных логических элементов группируется в одном месте, тем больше вероятность того, что при фиксированной архитектуре системы количество сигнальных линий ввода-вывода сократится.

Если число логических вентилей в специализированной ИС превышает 100 000, то для организации связей с корпусом или платой может потребоваться от 500 до 600 межсоединений. Шаг размещения соединительных проводников (ширина проводников плюс расстояние между ними) при таком числе выводов станет, следовательно, тем параметром, который органичит фиёиче-ские размеры и число вентилей специализированной ИС.

Подобные ограничения заставляют инженеров ожидать вероятных проблем, связанных с организацией межсоединений для более быстродействующих и сложных специализированных ИС. До настоящего времени основную роль играл проволочный монтаж. Современные методы шариковой термокомпрессии золотых проволочных выводов эффективны, как минимум, для шага около 130 мкм. Присоединение проволочных выводов физически возможно для величины шага не менее 75 мкм.

Однако следует ли разработчикам ориентироваться на схемы со столь малой величиной шага? В этой ситуации под вопросом может оказаться надежность. В частности, во время выполнения операций присоединения выводов вероятны короткие замыкания, обусловленные выдавливанием металла в направлении разделительной линии между контактными площадками. Технология присоединения проволочных выводов обеспечивает тем не менее надежность, если шаг уменьшается примерно до 85 мкм. Современный уровень производства соответствует 100-мкм шагу.

В настоящее время для обычных методов монтажа на платы со сквозными отверстиями лучшие результаты по критерию максимума отношения числа выводов к размерам при низком уровне риска обеспечивает конструкция корпуса с матрицей выводов. Подобные корпуса для установки в сквозные отверстия уже трансформируются в аналогичные изделия для монтажа на поверхность с шагом 1,27 мм и выводами такой же длины, предназначенные для плат с очень высокой плотностью упаковки. Близкие по характеру проблемы связаны с формовкой и контролем выводов перед операцией пайки.

Для размещения специализированных БИС наиболее широко используются в настоящее время и будут использоваться в ближайшем будущем монтируемые на поверхность печатных плат пластмассовые плоские корпуса с четырехсторонним расположением выводов (типа PQFP). Они подходят для 50-МГц схем, причем не исключено, что их частотный диапазон можно расширить до 80 МГц. Однако выход за его пределы ставит серьезные вопросы. В лучшем случае корпуса типа PQFP окажутся пригодными, однако даже тогда потребуется выделить дополнительные выводы для шин земли или питания с целью горизонтальной экранировки и подавления взаимных помех.

Еще большее значение имеет проблема отвода тепла, которое выделяют весьма быстродействующие усовершенствованные КМОП-схемы. Некоторые приборы в корпусе типа PQFP рассеивают мощность более 1 Вт и приближаются к предельному для данной конструкции уровню 1,2 Вт. Это обстоятельство требует поиска новых пластмасс с повышенной тепловой проводимостью или разработки новых PQFP-корпусов с теплоотво-дами или тепловыми межслойными переходами. Метод автоматической сборки на ленту-носитель (АСЛ), представляющий собой логическое развитие концепции плоского четырехстороннего корпуса, стремительно внедряется в сферу технологии специализированных ИС с большим числом выводов. На современных установках в лабораторных условиях этим способом удается монтировать кристаллы с 1000 выводов. Однако в обозримом будущем возможности этой технологии с учетом достижения максимальной экономической эффективности будут ограничены 300 выводов. Метод найдет применение в тех случаях, когда требуется минимизировать затраты на дорогостоящие промежуточные носители для специализированных ИС.

По мере того как традиционная технология монтажа на поверхность становится стандартной для современных систем со специализированными схемами, разработчикам следует глубже знакомиться с принципами организации производства. Это поможет им выбрать ту стратегию сборки, которая в наилучшей степени соответствует характеру производственного оборудования.

Ненадежность пайки расплавлением дозированного припоя

Современные типовые установки пайки методом расплавления дозированного припоя рассчитаны у большинства изготовителей на шаг выводов до 0,5 мм (рис.2). Если число выводов у прибора превышает 400, то шаг их размещения становится меньше 0,4 мм. Обычный процесс пайки расплавлением припоя при шаге 0,4 мм связан с риском брака на этапе сборки подсистем, поскольку здесь резко возрастает вероятность появления разрывов и замыкающих перемычек из припоя. Кроме того, такой шаг требует использования электронных систем распознавания образов для повышения точности размещения специализированных ИС на плате. Переход к АСЛ-технологии с малым шагом означает, что производственные подразделения по выпуску систем должны освоить комбинированную технологию, сочетающую обычный процесс пайки расплавлением припоя и операции присоединения внешних выводов, разработанные для автоматической сборки на ленту-носитель.

Современные типовые установки пайки расплавлением дозированного припоя рассчитаны на шаг расположения выводов до 0,5 мм. Однако, если ИС имеет более 4
Рис.2. Современные типовые установки пайки расплавлением дозированного припоя рассчитаны на шаг расположения выводов до 0,5 мм. Однако, если ИС имеет более 400 выводов, шаг их размещения становится меньше 0,4 мм.

Такой шаг в свою очередь влечет за собой целый ряд следствий. Прежде всего производственная установка для присоединения внешних выводов на ленту-носитель может стоить более 100 000 долл. Операция присоединения внешних выводов выполняется довольно медленно по сравнению с групповым методом пайки расплавлением припоя, который используется для традиционного поверхностного монтажа специализированных ИС. Вместо обработки нескольких элементов в секунду приходится тратить несколько секунд на элемент.

Далее, инженерам-технологам по производству систем нужно освоить операции обрезки и формовки выводов по месту установки схемы. Раньше они этим не занимались, поскольку данные операции выполнялись поставщиками ИС. Такой подход дает, правда, определенные технологические преимущества, так как манипуляции с приборами после формовки их выводов сводятся к минимуму. В результате реже отмечаются случаи перекосов и ухудшения планарности.

Наконец, следует обратить внимание и на проблему отвода тепла. С переходом к АСЛ-тех-нологии с малым шагом выводов инженеры-системотехники столкнутся с увеличением плотности потока тепла в 4—10 раз. Основная часть кристалла, который был правильно смонтирован поставщиком ИС, рассеивает значительно большую мощность, чем бескорпусной кристалл, с которым работают по методу АСЛ. Если системотехникам приходится устанавливать специализированные ИС с малым шагом выводов непосредственно на платы, они должны сформулировать и решить проблемы отвода тепла как в самой плате, так и на системном уровне.

Для самых передовых системотехнических компаний, применяющих специализированные ИС с малым шагом и АСЛ-технологией, переход от сборки на платы со сквозными отверстиями к поверхностному монтажу ИС с малыми расстояниями между выводами может потребовать от 3 до 10 млн. долл. и более в зависимости от объема производства и видов технологических процессов.

Другое решение

Никогда прежде технология сборки не имела столь важного значения для улучшения показателей специализированных ИС. Трассировочные и технологические ограничения типовых методов изготовления печатных плат требуют перехода к новым конструкциям с повышенной плотностью размещения соединительных проводников, причем без существенного увеличения затрат на изготовление. Иначе новые требования к изделиям должны удовлетворяться при сохранении существующей плотности упаковки плат за счет создания новых методов монтажа компонентов.

В то же время существует медленно развивающаяся технология сборки, которую многие не совсем правильно отождествляют с гибридными схемами. Она предоставила несколько иных подходов к решению проблемы сборки подобных специализированных ИС с малым шагом выводов. В настоящее время в стандартных корпусах типа DIP или в плоских корпусах с четырехсторонним расположением выводов (QFP) поставляются многокристальные модули (МКМ), содержащие несколько мощных СБИС. Подобные модули представляют собой законченные системы в корпусах типа DIP или QFP с относительно небольшим числом выводов, которое удовлетворяет возможностям существующего технологического оборудования.

Для кремниевых кристаллов характерна очень высокая плотность размещения трассировочных проводников, далеко превосходящая параметры обычной технологии изготовления печатных плат. Аналогичные методы используются при производстве кремниевых подложек для МКМ на давно устаревшем оборудовании по обработке пластин. Такие подложки значительно эффективнее обычных плат.

Кроме того, активные кремниевые подложки для МКМ существенно снижают общую рассеиваемую мощность, что дает большую экономию средств. Установка нескольких кристаллов на подложку модуля позволяет сократить сигнальные линии и уменьшить мощность, потребляемую выходными каскадами ИС. Разместив на кремниевой подложке активные или пассивные элементы, например драйверные транзисторы, нагрузочные резисторы или конденсаторы, выделяющуюся в модуле тепловую мощность можно уменьшить на 20%. Этот показатель имеет важное значение с точки зрения минимизации стоимости высокопроизводительных систем на базе специализированных ИС.

В концептуальном плане кремниевая технология могла бы обеспечить более высокий уровень интеграции. Конструкция, предполагающая установку кристаллов на кремниевые подложки или дочерние платы, в конечном итоге будет развиваться в сторону кремниевых объединительных плат, что обеспечивает очень большие преимущества.

Современные МКМ простейшего уровня содержат от 4 до 10 различных компонентов, установленных на толсто- или тонкопленочную подложку. Сейчас разрабатывается новое более передовое направление в технологии МКМ, которое предполагает объединение предельно сложных БИС, в составе так называемых функциональных модулей (function card). В большинстве случаев подобные модули комплектуются 60-контактным соединителем, устанавливаемым в его нижней части, или 120-контактным разъемом, размещаемым сбоку. Вначале этот конкретный тип МКМ использовался в качестве дополнительных сменных узлов памяти. На одном модуле располагалось ЗУ объемом 2, 4 или 16 Мбайт. В настоящее время благодаря технологии АСЛ функциональные модули работают в качестве модемов, графических процессоров, сопроцессоров и процессоров локальных сетей.

В ближайшее время будут разработаны и изготовлены МКМ на кремниевых подложках размерами 51*76 мм с очень широкими функциональными возможностями. Например, в таких габаритах удастся реализовать устройство, которое сейчас имеет размер 152*152 мм и изго- тавливается по технологии монтажа на поверхность носителей кристаллов с штырьковыми выводами и без них с шагом 0,5 и 0,6 мм (рис.3,слева). Подобный одноплатный компьютер собран на нескольких БИС и СБИС, установленных с двух сторон подложки, причем на обратной стороне находятся схемы ЗУ.


Рис.3. Многокристальный модуль размером 152*152 мм, изготовленный по традиционной технологии монтажа на поверхность, удалось уменьшить до 51*76 мм за счет применения кремниевой подложки и автоматической сборки на ленту-носитель методом перевернутого кристалла (слева). Новый метод монтажа обеспечивает шестикратное улучшение плотности упаковки и сокращения габаритов (справа).

Модули размером 51*76 мм с АСЛ-монтажом методом перевернутого кристалла обеспечивают шестикратное уменьшение размеров и повышение плотности упаковки при сохранении функциональных возможностей (рис.3,справа). И хотя такой подход пока не внедрен в серийное производство, он развивается в лабораторных условиях как основа для создания МКМ следующего поколения. Очередной шаг на пути совершенствования модулей такого размера — это монтаж ИС методом перевернутого кристалла непосредственно на подложку для еще большего сокращения площади, занимаемой схемой. Затем такая подложка помещается в обычный корпус или устанавливается прямо на печатную плату.

На протяжении следующих двух лет технология МКМ будет внедрена в производство высокопроизводительных систем, предназначенных как для военных, так и для коммерческих потребителей. Военные, вне сомнения, воспользуются преимуществами таких МКМ — сокращением веса и размеров изделий. Существующие системы будут модернизироваться путем размещения дополнительных узлов в блоки стандартных габаритов.

Системотехнические фирмы, однако, должны выбирать ту технологию сборки, которая в наилучшей степени соответствует требованиям конкретной системы. При этом следует внимательно оценить целый ряд инженерных вопросов. Среди них — стоимость, вертикальные габариты, тепловыделение, уровень производительности, виды материалов, плотность упаковки и конструктивные характеристики.

Несмотря на то что автоматическая сборка на ленту-носитель методом перевернутого кристалла может оказаться вполне приемлемой, не следует упускать из виду и другие варианты (рис.4). В обычной АСЛ-технологии с установкой кристаллов непосредственно на плату, ленточные выводы формируются как у стандартных корпусов для поверхностного монтажа с выводами в форме крыла чайки. Метод прямой установки на плату АСЛ-кристаллов не требует больших затрат и по своим конструктивным характеристикам не уступает другим приемам сборки. Эти данные подтверждаются практикой производства многих современных коммерческих систем.


Рис.4. Три базовых метода автоматической сборки на ленту-носитель: обычный монтаж кристалла на плату (вверху); монтаж кристалла в карман платы (в середине); и монтаж методом перевернутого кристалла (внизу).

В тех случаях, когда основное значение имеет вертикальный размер, например для «разумных» модулей-карточек, в которых требуется обеспечить минимальную толщину, лучшие результаты дает технология прямой установки АСЛ-кристаллов в карманы на плате. Наконец, в тех ситуациях, когда определяющий системный показатель связан с отводом тепла, можно воспользоваться технологией установки на плату схем АСЛ-типа методом перевернутого кристалла.

Перспективные МКМ

В течение следующих трех — пяти лет в составе МКМ начнут появляться трехмерные функциональные узлы. Более того, ИС будут размещаться в пространстве над печатной платой. В трехмерных конструкциях активные приборы устанавливаются и монтируются под прямым углом к объединительной панели, по которой проходят сигнальные проводники и шины питания. На сегодняшний день такой подход обеспечивает максимальную плотность упаковки. Если проблема отвода тепла не играет определяющей роли, трехмерная технология в перспективе увеличит удельную емкость устройств памяти в 250—300 раз по сравнению с обычными устройствами, в которых используются корпуса типа DIP или монтаж на поверхность.

К середине 1990-х годов в конструкциях системных блоков будет использоваться концепция функциональных модулей с кремниевыми подложками и преимуществами трехмерного размещения компонентов.

Главные направления в методах проектирования определят подобные изделия нового поколения, в состав которых войдут трехмерные компоненты. Такие подходы будут опираться на идею размещения сверхвысокопроизводительных СБИС и специализированных ИС в одном модуле. Сейчас эта задача решается в лабораторных условиях на базе АСЛ-технологии и монтажа методом перевернутого кристалла (рис.5). В данном случае удается обеспечить минимум внешних связей. Кроме того, проблема организации связей между множеством различных кристаллов решается специализацией топологии подложек. Некоторые межсоединения могут соответствовать стандартным конфигурациям, которые ориентированы на большую часть кристаллов.

В трехмерной конструкции активные компоненты устанавливаются и монтируются под прямым углом к объединительной подложке, на которой находятся сигнальны
Рис.5. В трехмерной конструкции активные компоненты устанавливаются и монтируются под прямым углом к объединительной подложке, на которой находятся сигнальные проводники и шины питания, соединяющие между собой эти кристаллы. Такой подход обеспечивает максимальную плотность упаковки.

Два главных элемента трехмерной технологии сборки — это специальные кремниевые подложки и пакетируемые МКМ. Эти элементы достаточно хорошо отводят тепло и позволяют оперировать с высокими плотностями мощности, которые рассеиваются тесно упакованными кристаллами. Кроме того, тепловые параметры оптимизируются за счет использования кремния в качестве материала подложек. Дополнительное преимущество состоит в том, что на таких активных кремниевых подложках можно размещать функционально законченные схемы и (или) пассивные компоненты.

Например, самый современный системный модуль размером 51*51 мм может содержать до 45 ИС. В этом случае целесообразно применение трехмерных устройств памяти. Разработанный специалистами компании Texas Instruments опытный образец такого модуля объединяет восемь схем ЭСППЗУ с организацией 256 кбит × 9 и 32 схемы статических ЗУПВ объ- емом 1 Мбит*4. Кроме того, в состав модулявходят две специализированные ИС и три схемыцифровых процессоров сигналов. Помимо трехмерного ЗУ модуль отличает кремниевая подложка и технология АСЛ методом перевернутого кристалла для монтажа внутренних ИС. Саммодуль устанавливается в обычный корпус (рис.6).

К середине 1990-х годов перед инженерами-разработчиками систем на базе специализированных ИС откроются перспективы внедрения высокоэффективных системн
Рис.6. К середине 1990-х годов перед инженерами-разработчиками систем на базе специализированных ИС откроются перспективы внедрения высокоэффективных системных модулей. В состав этого опытного устройства входит 45 ИС, причем схемы памяти собраны в трехмерную конструкцию. Кроме того, изделие содержит кремниевую подложку изготовлено оно по технологии автоматической сборки на ленту-носитель методом перевернутого кристалла для внутренних схем и размещается в обычном 308-выводном корпусе. Данное устройство заменяет 45 корпусных ИС.

Этот конкретный системный узел был разработан специально для демонстрации методов организации межсоединений с очень малым шагом выводов при сохранении совместимости обычной технологии с 0,6-мм шагом и существующего производственного оборудования. В данном случае система, содержащая компоненты с 800 выводами и различными методами сборки, была размещена в обычном 308-выводном корпусе.

Однако переход к более совершенной технологии МКМ связан с целым рядом проблем, среди которых — создание модулей с повышенной плотностью трассировки на подложках. Не менее важным может оказаться решение этой задачи с учетом сохранения электрических характеристик ИС.

Разработка кремниевых подложек для трассировки с малым шагом потребует новых диэлектрических материалов. Кроме того, для моделирования электрических, тепловых и механических явлений в каждом компоненте модуля необходимы соответствующие средства САПР и САИТ. Высокий уровень точности инженерного анализа и моделирования будет гарантировать правильную работу законченного модуля.

К сожалению, большинство современных средств не располагает достаточными возможностями для проектирования более сложных модулей. В настоящее время системы моделирования уровня печатной платы рассматривают каждую функцию в качестве блока и не позволяют инженеру исследовать компоненты детально, например, на вентильном уровне, чтобы в полной мере реализовать имеющиеся возможности.

Предпринимаются попытки к объединению традиционных систем проектирования топологии плат и соответствующих баз данных с традиционными базами данных электрического проектирования. Задача состоит в том, чтобы найти способ их эффективного взаимодействия. В идеальном случае одна и та же база данных должна использоваться как для механического, так и для электрического проектирования схем, чтобы избежать ошибок в процессе преобразования информации.

В ближайшее время подложки останутся пассивными и будут выпускаться в виде керамических тонкопленочных или кремниевых изделий. Ключевыми элементами станут специализированные ИС и другие крупные СБИС, большую популярность будет завоевывать технология «кремний на кремнии».

Об авторе

Милтон Л. Бушом, руководитель группы проектирования высокопроизводительных специализированных ИС в компании Texah Instruments, окончил университет штата Миннесота по специальности химическая технология.

Дочерние статьи:

Изменение правил принятия решении

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 63, No.03 (832), 1990г - пер. с англ. М.: Мир, 1990, стр.57

Electronics Design Vol.38 No.1 January 11, 1990 A Penton Publication

Electronics Design Vol.38 No.2 January 25, 1990 A Penton Publication

Milton L. Buschbom. ASIC design decisions demand broader perspective, ED, 1990, No.1, pp.145—148,153,154.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Проектирование и сборка





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:55 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1990/D19900125Elc017.shtml