1 8. Особенности конструирования БИС и аппаратуры на их основе Виды, объекты применения БИС и основные задачи конструктора Для построения ЭВМ разных классов используют: БИС микропроцессорных комплектов, настраиваемых программным способом – для контроллеров устройств в/в и микроЭВМ; ПЛИС – для контроллеров и спецЭВМ; полузаказные БИС на основе базового матричного кристалла (БМК) - матричные БИС (МаБИС) – для центральных обрабатывающих устройств и систем средней производительности; заказные БИС, обеспечивающие предельные для данного уровня технологии технические характеристики – для ЭВМ наивысшей производительности; СИС со структурой пассивных компонентов – для ЭВМ всех классов.

2 БМК Кристалл МаБИС – БМК, представляет собой многослойную пласти- ну, на которой реали- зованы несоединен- ные активные и пас- сивные компоненты, сгруппированные, как правило, в топологические ячейки (ТЯ). Определена библиотека функциональных элементов (БФЭ). Для ее элементов суще- ствуют фотошаблоны – эталоны металлиза- ции соединения ком- понентов.

3 Задачи конструктора при проектировании МП, заказных БИС и МаБИС С повышением уровня интеграции и скорости переключения возрастает влияние конструктивного оформления на электрические и скоростные характеристики как самих элементов, так и аппаратуры на их основе. Для БИС при количестве вентилей больше 10 3 линии связи занимают более половины площади кристалла и начинают определять их основные характеристики ( площадь кристалла, задержку переключения, помехоустойчивость и др.). Отсюда особенность разработки и использования указанной элемент- ной базы – более высокий уровень интеграции работы конструкторов и специалистов в области микроэлектроники. Для МП, заказных БИС и СИС основные задачи – разработка корпусов, элементов разъемных и неразъемных межсоединений. Для МаБИС – разработка корпусов, элементов разъемных и неразъе- мных межсоединений и задачи схемно-топологического конструиро- вания: компоновки и размещения – при отображении элементов схемы в ТЯ; трассировки – при соединении их выводов. Результат – фотошаблоны межсоединений ФЭ.

Основные проблемы конструирования и применения БИС Повышение плотности упаковки компо- нентов на кристалле, объемов реализу- емых на них схем и тактовой частоты переключения элементов приводит к возникновению следующих проблем: увеличение числа внешних выводов БИС и субблоков; повышение плотности упаковки компонентов в БИС и БИС в субблоках для снижения потерь быстродействия из-за задержек сигналов; увеличение удельной выделяемой тепловой энергии; ужесточение требований к постоянству волнового сопротивления линий связи (в связи с переходом к работе в гигагерцевом диапазоне). 1 – крышка; 2 – кристалл; 3 – проволочный (внутренний) вывод; 4 – рамка; 5 – внешний вывод; 6 – основание корпуса; 7 – радиатор

5 Прогнозирование количества внешних выводов Наиболее существенная проблема – обеспечение требуемого количества внешних выводов при высокой их плотности. Плотность контактов оценивается как отношение их количества к площади платы, которую занимает корпус вместе с выводами. Требуемое количество внешних выводов оценивается по закону Рента: N в = N р, где = 2,5..3 – среднее количество выводов элемента (вентиля) схемы; p = 0,5..0,75 – показатель Рента. N 5· NвNв

Корпуса БИС Решение указанных выше проблем требует разработки : конструкции корпусов для элементов высокой степени интеграции и выбора материалов для них; межсоединений от выводов кристалла до выводов на корпусе; внешних выводов; технологии сборки и монтажа корпусов. Конструкция корпусов БИС должна: удовлетворять поставленным требованиям по габаритам; обеспечивать эффективный отвод тепловой энергии, выделяемой кристаллом; обеспечивать его герметизацию и защиту от излучений; иметь высокую плотность контактов.

7 Характеристики корпусов БИС

8 Характеристики корпусов БИС (2)

Виды корпусов БИС В разработке многоконтактных корпусов для БИС и МаБИС с произвольной логикой выделяют три направления: плоские корпуса с выводами с четырех сторон; безвыводные корпуса (носители кристаллов); корпуса с матрицей выводов.

10 Керамический корпус БИС с приваренными выводами с четырех сторон 1 – приваренный (внешний) вывод; 2 – напыленный вывод; 3 – рамка; 4 – крышка; 5 – кристалл; 6 – проволочный (внутренний) вывод; 7 – основание; 8 – радиатор

11 Керамический корпус БИС с рамкой выводов с четырех сторон 1 – крышка; 2 – кристалл; 3 – проволочный (внутренний) вывод; 4 – рамка; 5 – внешний вывод; 6 – основание корпуса; 7 – радиатор

12 Безвыводный керамический носитель кристаллов со сквозными контактными отверстиями

13 Безвыводный пластмассовый носитель кристаллов 1 – основание; 2 – крышка; 3 – боковые стенки Изготавливаются с помощью полуаддитивного процесса, позволяющего металлизировать изнутри сквозные отверстия. Рисунки металлизации для носителей можно получить на большой плате методом пошагового мультиплицирования в процессе фото- литографической обработки

14 Керамический корпус БИС с матрицей выводов 1 – основание корпуса; 2 – внешний вывод; 3 – крышка; 4 – кристалл; 5 – внутренние соединения

15 Пластмассовый корпус БИС с матрицей выводов 1 – вывод; 2 – основание; 3 – паяное соединение; 4 – тонкая печатная плата; 5 – проволочный вывод; 6 – кристалл; 7 – печатный монтаж __ Недостаток безвыводных носителей кристаллов и корпусов с матрицей выво- дов – невозможность визуального контроля пайки после установки на плату.

16 Керамические корпуса (окись алюминия) Достоинства: низкое тепловое сопротивление; хорошая герметизация; высокая плотность выводов. Недостатки: высокое значение относительной диэлектрической проницаемости (около 9); высокая стоимость; большая масса. Для безвыводных носителей кристалла существенно, что температурный коэффициент расширения керамики значительно меньше, чем у обычных материалов печатных плат (можно использовать платы из специально разработанных материалов, например, медь – инвар – медь, но при этом увеличивается масса субблока).

17 Пластмассовые корпуса (стеклоэпоксидные) Достоинства: низкая стоимость; малая величина относительной диэлектрической проницаемости, что обеспечивает более низкие, чем у керамических, значения емкости выводов и более высокие значения максимальных токов; возможность изготовления корпусов безвыводных носителей кристалла групповым методом. Безвыводные носители кристалла термически согласованы с печатной платой. Недостатки: высокое тепловое сопротивление; неустойчивость к воздействию влаги (кристалл с приваренными к нему выводами можно защитить слоем кремнийорганического соединения RTV).

Способы выполнения соединений в корпусах БИС с выводами с четырех сторон Внутренние соединения между контактами кристалла и внешними выводами выполняют: проводным монтажом (выводы кристалла располагаются по его периферии); лентой-носителем. 1 – корпус; 2 – контактная площадка; 3 – лента-носитель из полиимида; 4 – кристалл; 5 – шариковый вывод из припоя; 6 – печатный проводник 6

19 Способы выполнения соединений в корпусах БИС с выводами с четырех сторон (2) Преимущества сборки на ленту-носитель: легко автоматизируется; подходит для группового монтажа, обеспечивая копланарность выводов; позволяет проводить проверку до сборки в корпус; обеспечивает высокую плотность межсоединений (около 100 контактов на 1 см 2 ); позволяет создавать корпуса малой высоты; обеспечивает легкий доступ для тестирования узлов в центральной части кристалла (лента-носитель с матрицей выводов). При ширине проводников 50 мкм, расположенных с шагом 100 мкм, количество выводов на двухслойной ленте-носителе – 320.

20 Способы выполнения соединений в корпусах БИС с выводами с четырех сторон (3) Внешние соединения в виде тонких медных выводов припаивают к керамическому основанию или приваривают к металлизированным выводам, напыленным на него. По мере увеличения количества внешних выводов и их плотности усложняется задача правильного совмещения и обеспечения копланарности выводов. Решить эту задачу позволяет штамповка выводной рамки по квадрантам с полосками 1 и 2, которые удерживают выводы до окончания сборки. Такую рамку можно использовать и для пластмассовых корпусов. 1, 2 – технологические полоски Квадрант выводов с технологическими полосками

21 Пластмассовый корпус с рамкой выводов 1 – основание корпуса; 2 – внешний вывод; 3 – внутренний (проволочный вывод); 4 – кристалл; 5 – крышка

Конструирование ЭВМ на микропроцессорах Учитывая структурные особенности микропроцессорных ИС и БИС, линии связи между субблоками необходимо группировать в совокупность упорядоченных каналов – шины. По функциональному назначению шины делят на: ввода-вывода; доступа к памяти; внутренней обработки данных; подвода питания и «земли». Топологическая конфигурация шин определяется способом монтажа, от которого может зависеть эффективность их работы. Особенности конструктивной реализации схем на МП: шины должны незначительно отличаться по длине (неравенство длин может привести к рассогласованию сигналов); конфигурация шин и конструкция модуля должны обеспечивать простоту включения в него и подключения к шинам дополнительных субблоко в.

23 Конфигурация шин (а) и конструктивная реализация (б) микропроцессорной аппаратуры с одной объединительной платой 1 – краевой соединитель; 2 – плата субблока; 3 – система шин с параллельной разводкой проводов; 4 – объединительная плата Система шин реализуется параллельной разводкой проводов на выводных штырьках соединителей.

24 Конфигурация шин (а) и конструктивная реализация (б) микропроцессорной аппаратуры с двумя объединительными платами

25 Конфигурация шин (а) и конструктивная реализация (б) микропроцессорной аппаратуры при использовании принципа пакетирования

Методы и элементы электрических соединений БИС Методы монтажа корпусов. Безвыводные носители кристаллов и корпуса с матрицами выводов при условии обеспечения температурного режима можно устанавливать на плате вплотную (с учетом технологических зазоров). Для электрического соединения выводов БИС применяют неразъемный и разъемный монтаж. Неразъемный монтаж: корпуса с матрицей выводов монтируют на платах со сквозными металлизированными отверстиями, выводы припаивают расплавлением дозированного припоя или «волной»; корпуса с выводами с четырех сторон и безвыводные носители кристаллов монтируют на поверхность.

27 Методы и элементы электрических соединений БИС (2) Достоинства технологии монтажа на поверхность (ТМП): обеспечивает возможность автоматизации сборки при одновременном повышении надежности; допускает двусторонний монтаж, что повышает плотность упаковки. Недостатки ТМП: трудность освоения новых методов пайки (оплавление полуды); сложность испытания готовых узлов; критичность паяного соединения к механическим воздействиям.

28 Методы оплавления полуды Конденсационная пайка: собранную плату помещают в атмосферу насыщенного пара специальной нейтральной жидкости (Fluorinert), температура которой несколько выше температуры расплавления припоя; пар конденсируется на плате и отдает ей скрытую энергию преобразования; сборка нагревается до температуры кипения жидкости и припой расплавляется. Достоинства метода: быстрый и равномерный нагрев; точность температурного режима; чистота среды. Недостатки: сложность и высокая стоимость оборудования; высокая энергоемкость.

29 Методы оплавления полуды (2) Инфракрасная пайка. Достоинства: простота подбора режима пайки и, следовательно, высокое качество соединения и меньший процент брака по сравнению с конденсационной пайкой; меньшая энергоемкость. Основной недостаток – неравномерность нагрева.

30 Разъемный монтаж БИС Разъемный соединитель. С ростом уровня интеграции элементной базы все более серьезное значение приобретает основной недостаток неразъемного монтажа – сложность, а порой и невозможность демонтажа для ремонта. Улучшать ремонтопригодность и снижать эксплуатационные затраты можно за счет использования разъемных соединителей первого уровня. Панелька под корпус с матрицей выводов

31 Монтаж разборного корпуса на плату Это перспективный способ, обеспечивающий высокую ремонтопригодность БИС и аппаратуры на их основе. Способ устраняет пайку и приварку выводов кристалла и корпуса. Эластомерная пластина создает усилие контактирования, защищает от воздействия окружающей среды и снимает проблему термического рассогласования корпуса (кристалла) с печатной платой.

32 Многоконтактный соединитель прижимного типа Ячеистый эластомер за счет низкого уровня релаксации напряжений обеспечивает стабильное во времени малое значение контактного сопротивления. Количество контактов: ~ 400. Используется для монтажа многокристальных модулей и корпусов с матрицей выводов с керамическим, стеклоэпоксидным или иным основанием.

Внутри- и межплатные соединения Скоростные возможности БИС при переходе в гигагерцевый диапазон превосходят возможности микрополосковых и полосковых линий связи. Задержка в печатных проводниках сигнала, передаваемого между двумя БИС на частоте 1..4 ГГц, составляет 85 % длительности такта синхронизации. При этом существенным становится искажение сигналов от конструктивных неоднородностей. Наиболее эффективная линия связи для соединения БИС и СБИС – коаксиальный кабель с изоляцией с малой диэлектрической постоянной. Такой кабель имеет точно управляемое волновое сопротивление и высокую скорость передачи сигнала 2,63 ·10 8 м/с (у полосковой линии связи - 1,3·10 8 м/с ). Повороты коаксиального кабеля можно выполнять со сравнительно большим радиусом, что исключает отражение сигналов, которые происходят на прямоугольных сгибах печатных проводников. В местах перекрещивания проводников экраны имеются у обоих, так что паразитная связь минимальна.

34 Структура печатной платы с «утопленным» коаксиальным кабелем Коаксиальный кабель: диаметр внутреннего проводника – 0,078 мм, внешнего – 0,24 мм, изоляция тефлон, наружный экран – сплошной слой медного гальванического покрытия, волновое сопротивление – 50 Ом.

35 Последовательность монтажа печатной платы с «утопленным» коаксиальным кабелем Основные этапы создания однослойной структуры: укладка провода на стеклоэпоксидное основание, покрытое адгезивом (станок с ЧПУ); отверждение адгезива; сплошное гальваническое наращивание проводящего слоя; очистка участков подсоединения проводов; нанесение слоя эпоксидной смолы; сверление и металлизация отверстий (обеспечивается их соединение с внутренними проводниками коаксиальных кабелей); гальваническое нанесение проводящих элементов на поверхность платы, например, контактных площадок. При необходимости более плотного монтажа провода можно укладывать и на вторую сторону основания, формируя дополнительные шины питания. Новые слои можно накладывать и поверх первого слоя проводного монтажа. Задержка сигнала – около 4 нс/м.

36 Соединитель зажимного типа и характеристика его качества Штыревые разъемы не обеспечивают высокой плотности контактов. Их волно- вое сопротивление существенно отличается от волнового сопротивления линии связи. Это потребовало разработки соединителей зажимного типа. Гибкую схемную плату или кабель изготавливают из эластичного фторполимерного материала (волновое сопротивление 37,7 Ом, эффективная диэлектрическая проницаемость 2,44).