Разработка ячейки вычислительного модуля на базе мультиядерного микропроцессора цифровой обработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Московский институт электроники и математики

Разработка ячейки вычислительного модуля на базе мультиядерного микропроцессора цифровой обработки сигнала

Выпускная квалификационная работа

по специальности 210201 Проектирование и технология радиоэлектронных средств

Фокин Виктор Михайлович

Аннотация

В данной работе рассматриваются вопросы механических и тепловых расчетов корпуса микросхемы.

Специальная часть содержит описание и анализ устройства. Имеется обоснование выбора корпуса для заданной микросхемы. Рассмотрены методы и принципы расчетов в САПР. Проведено описание и анализ существующих ИМС, а также корпусов для них. Также проведен обзор систем, использующихся для расчетов в данной работе. Проведен механический и тепловой расчет корпуса микросхемы, сделаны необходимые выводы.

Конструкторско-технологическая часть посвящена оформлению конструкторской документации РЭА в соответствии с ЕСКД.

В раздел охраны труда рассмотрена пожаро- и электробезопасности в помещениях.

Экологическая часть связана с анализом требований по защите от шума, а также микроклимата в рабочих помещениях.

ВВЕДЕНИЕ

Современная электрорадиоаппаратура проходит несколько этапов разработки, в частности: создание концепции продукта, техническая проработка изделия, создание опытных образцов, проведение сертификационных испытаний, подготовка к производству, выпуск установочной партии и серийное производство. Техническая проработка изделия является, пожалуй, самым важным этапом разработки, так как ошибки на данном этапе могут вызвать большие финансовые потери, а также сильно отсрочить выпуск устройства, что сделает его менее актуальным на рынке.

На этапе технической проработки изделия создается эскизный проект, разрабатывается техническое задание (ТЗ), создаются спецификации и анализируются примеры использования продукта. Оцениваются выбранные аппаратные и программные технические решения, изучаются потенциально проблемные моменты с точки зрения последующей технической реализации, производительность платформы и другие важные характеристики. Часто этап заканчивается сборкой и тестированием «настольного» прототипа изделия.

Важной составляющей данного этапа является компьютерное моделирование работы устройства в заданных рабочих условиях. Это помогает заказчику увидеть, отвечает ли создаваемое устройство его требованиям еще на этапах проектирования, и сделать выбор в пользу того или иного изделия.

А. Специальная часть

1. Анализ особенностей корпусов интегральных микросхем как объекта для исследования механических и тепловых процессов

Объектом исследования является микросхема 4-х процессорной «системы на кристалле» на базе ядер 32-разрядных процессов цифровой обработки сигналов с плавающей точкой. В состав микросхемы входят четыре микропроцессорных ядра, два контроллера UART 16550, контроллер MIL Std 1553, контроллер Ethernet, контроллер USB 2.0.

1.1 Описание объекта исследования

В соответствии с техническими требованиями ТЗ микросхема должна быть разработана в металлокерамическом корпусе с общей массой не более 50 г.

При разработке конструктивных решений микросхемы 4-х процессорной «системы на кристалле» и технологических процессов ее изготовления необходимо, прежде всего, исходить из упаковки кристалла микросхемы в корпус, поскольку от технологии монтажа кристалла в корпус на 2/3 зависят характеристики надежности микросхемы. Выбор корпуса определяется количеством сигнальных выводов и выводов питания.

Число выводов питания определяется током, потребляемым ядром и буферами ввода/вывода микросхем.

Ядро микросхемы должно потреблять не более 1000 мА. Так как максимальный ток, обеспечиваемый буфером питания выбранной библиотеки, не должен превышать 50 мА, то число выводов питания ядра микросхемы должно быть не меньше, чем N_c=20 выводов.

Число выводов микросхемы для питания буферов ввода/вывода рассчитывается исходя из требования: не более 4-х выходов на 1 буфер питания буферов ввода/вывода для выбранной библиотеки I/О.

Так как общее число выходов и входов/выходов микросхемы равно 851, то число выводов питания буферов ввода/вывода равно N_io = 213.

Таким образом, общее число выводов микросхемы при такой реализации должно быть не менее, чем

N_m = N_s + N_c + N_io=954 + 20 + 213 = 1187.

Керамических корпусов с таким числом выводов в РФ не существует, кроме того, при таком числе выводов возможен лишь монтаж кристалла в корпус по методу flip-chip.

Если учесть, что технология монтажа flip-chip в РФ находится в экспериментальном состоянии, то необходим керамический корпус со штырьковыми выводами и достаточным количеством выводов, обеспечивающих требуемую в ТЗ функциональность и показатели надежности.

В результате конструкторско-технологической проработки микросхемы в составе кристалл + корпус, из доступных в РФ в настоящее время металлокерамических корпусов, был выбран корпус PGA-602 (KD-PB1D79) производства фирмы Kyocera, который и будет исследован в данной работе. Чертеж корпуса приведен в приложении.

В таблице 1.1 приведены характеристики проектируемой микросхемы, определяющие выбор корпуса.

Таблица 1.1. Характеристики проектируемой микросхемы.

Характеристики проектируемой СБИС	Параметр
Тактовая частота	200 МГц
Частота на входах/выходах	100 МГц
Напряжение питания	1.2 В/3.3 В
Потребляемая мощность, не более	1000 мА
Размер кристалла	10 Ч 10 мм
Расположение контактных площадок по периметру кристалла	2 ряда в шахматном порядке
Размеры контактных площадок, мкм	40 Ч 60
Шаг контактных площадок, мкм	80
Расстояние между рядами контактных площадок, мкм	50
Расстояние от границ контактной площадки до ближайшей шины под другим потенциалом, мкм	12
Толщина контактных площадок, мкм	0.8
Материал контактных площадок	Al + Si + Cu
Общее число слоев металлизации в контактной площадке (микросхеме)	6
Материал слоев пассивации	SiO2/Si2N4
? кремниевой пластины, мм	200
Толщина пластины, мм	0.42
Ширина разделительной дорожки, мкм	100

В таблице 1.2 приведены требования к корпусу.

Таблица 1.2. Требования к корпусу.

Требования к корпусу	Параметр	Примечание
Корпус должен отвечать требованиям ГОСТ РВ 5901-004-2010 «Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Корпуса. Общие технические условия»
6-й тип (PGA) по ГОСТ Матрица штырьковых выводов	металлокерамика
Количество шин «питание», «земля»	4
Шаг выводов, мм	1.27
Герметизация	шовная роликовая сварка
Метод монтажа кристалла в корпус	проводной монтаж
Трассировка проволочных соединений с контактными площадками кристалла	перехлест проволочек не допускается
Монтажная площадка, мм	12 Ч 12	Критичный параметр
Расположение траверс	три уровня
Металлизация	Н2 Зл3
Сопротивление выводов «питание-земля». Сопротивление сигнальных выводов	не более 0.16 Ом не более 0.8 Ом
Рассеиваемая мощность, не менее	2.5 Вт
Входная емкость вывода корпуса, не более	5 пФ
Герметичность корпуса	6.65Ч10-3 Па*см3/с по нормализованному потоку гелия
Устойчивость к воздействию температур	от -60 ОС до +155 ОС
Устойчивость к термоциклам	не менее 10 циклов от -60 ОС до +155 ОС по 15 минут	Без потери герметичности
Устойчивость к воздействию линейного ускорения	10000g	Без потери герметичности
Устойчивость к воздействию температуры	+450 ОС ± 10 ОС в течение двух минут	Без изменения свойств покрытия и без потери герметичности
Стойкость к технологическим воздействиям	В соответствии с требованиями ОСТ В 11 0998-99, ГОСТ РВ 0.39.412-97

1.2 Методы расчета механических процессов в САПР

Конечно-элементный анализ широко применяется при решении задач механики деформируемого твердого тела, теплообмена, гидро- и газодинамики, электро- и магнитостатики, а также других областей физики. Потребность в решении подобных задач возникает в системах автоматизированного конструирования для моделирования поведения изделия в цифровом виде (не прибегая к изготовлению самого изделия или его макета). Типичными примерами процессов, моделирование которых на компьютере позволяет значительно сократить расходы на испытания, являются продувка в аэродинамической трубе и аварийные испытания (крэш-тесты). Конечно-элементный анализ основан на использовании математического метода конечных элементов (МКЭ).

1.2.1 Метод конечных элементов

Метод конечных элементов позволяет приближенно численно решать широкий спектр физических проблем [1], которые математически формулируются в виде системы дифференциальных уравнений или в вариационной постановке. Этот метод можно использовать для анализа напряженно деформированного состояния конструкций, для термического анализа, для решения гидро-газодинамических задач и задач электродинамики. Могут решаться и связанные задачи.

Историческими предшественниками МКЭ были различные методы строительной механики и механики деформируемого твёрдого тела, использующие дискретизацию, в частности, метод сил и метод перемещений [2]. Основные идеи и процедуры МКЭ впервые были использованы Курантом [3] в 1943 г. при решении задачи о кручении стержня. Но только с 50-х годов началось активное практическое применение МКЭ, сначала в области авиации и космонавтики, а затем и в других направлениях. Термин «конечные элементы» (КЭ) ввел в 1960 году Клаф [4]. Развитию этого метода способствовало совершенствование цифровых электронных вычислительных машин.

Область применения МКЭ значительно расширилась, когда для его обоснования стали применяться методы взвешенных невязок - Галёркина и наименьших квадратов [5, 6]. МКЭ превратился в универсальный способ решения дифференциальных уравнений.

1.2.2 Основные понятия МКЭ

Исходным объектом для применения МЮ является материальное тело (в общем случае - область, занимаемая сплошной средой или полем), которое разбивается на части - конечные элементы (КЭ) (рис. 1.1). В результате разбивки создается сетка из границ элементов. Точки пересечения этих границ образуют узлы. На границах и внутри элементов могут быть созданы дополнительные узловые точки. Ансамбль из всех конечных элементов и узлов является основной конечно-элементной моделью деформируемого тела. Дискретная модель должна максимально полно покрывать область исследуемого объекта.

Рис. 1.1 Разбитие тела на конечные элементы

Выбор типа, формы и размера конечного элемента зависит от формы тела и вида напряжённо-деформированного состояния. Стержневой КЭ применяется для моделирования одноосного напряжённого состояния при растяжении (сжатии), а также в задачах о кручении или изгибе. Плоский двумерный КЭ в виде, например, треугольной или четырёхугольной пластины используется для моделирования плоского напряжённого или плоского деформированного состояния. Объёмный трёхмерный КЭ в виде, например, тетраэдра, шестигранника или призмы служит для анализа объёмного напряжённого состояния. КЭ в форме кольца применяется в случае осесимметричного напряжённого состояния. Для расчёта изгиба пластины берётся соответствующий плоский КЭ, а для расчёта оболочки используется оболочечный КЭ или также изгибаемый плоский элемент. В тех зонах деформируемого тела, где ожидаются большие градиенты напряжений, нужно применять более мелкие КЭ или элементы большего порядка [7].

Конечные элементы наделяются различными свойствами, которые задаются с помощью констант и опций. Например, для стержневого ферменного КЭ указывается площадь поперечного сечения, а если моделируется трос, работающий только на растяжение, то назначается соответствующая опция. Для плоских несгибаемых КЭ может указываться толщина и задаваться вид напряжённого состояния: плоское напряжённое, плоское деформированное или осесимметричное. Для плоских изгибаемых и оболочечных КЭ должна задаваться толщина.

Все элементы и узлы нумеруются. Нумерация узлов бывает общей (глобальной) для всей конечно-элементной модели и местной (локальной) внутри элементов. Нумерацию элементов и общую нумерацию узлов желательно производить так, чтобы трудоёмкость вычислений была наименьшей. Существуют алгоритмы оптимизации этой нумерации [8]. Должны быть определены массивы связей между номерами элементов и общими номерами узлов, а также между местными и общими номерами узлов.

Для расчета полей различных физических величин с помощью МКЭ в рассматриваемой области необходимо определить материалы элементов и задать их свойства. В задачах деформирования, прежде всего, нужно указать упругие свойства - модуль упругости и коэффициент Пуассона [9]. Если предполагается пластическое течение, то необходимо задать истинные диаграммы деформирования, которые аппроксимируются билинейными или мультилинейными кривыми. Когда тело неравномерно нагрето, указанные выше механические свойства требуется задать для ряда температур и, кроме того, нужно ввести коэффициент теплового расширения. Для динамических задач необходимо определить плотность материала и, возможно, коэффициент вязкого демпфирования.

В стационарных задачах теплопроводности для выбранного материала тела должен быть задан коэффициент теплопроводности. При нестационарной теплопроводности нужно дополнительно знать плотность материала и его теплоёмкость. Если рассматривается нелинейная задача теплопроводности, то указанные физические свойства требуется определять как функции температуры.

Состояние тела характеризуется конечным числом независимых параметров, определённых в узлах конечно-элементной сетки. Такие параметры называются степенями свободы. В рассматриваемых ниже деформационных задачах в качестве степеней свободы применяются перемещения узлов, среди компонентов которых могут быть и угловые перемещения. В задачах теплопроводности степенями свободы являются температуры узлов.

Координаты узлов, перемещения узлов и произвольных точек элементов, силы и другие объекты могут определяться в различных системах отсчёта (системах координат). В алгоритме МКЭ используются общая (глобальная) система координат, привязанная ко всей конечно-элементной модели (см. рис. 1.1), и местные (локальные) системы координат, связанные с конкретными конечными элементами, в силу чего их называют элементными системами отсчёта. Переход от одной системы отсчёта к другой производится с помощью матриц преобразования.

В деформационной задаче число степеней свободы одного узла зависит от типа задачи и от системы отсчёта. На рис. 1.1 показан узел i, имеющий в общей системе координат х, у, z три степени свободы, составляющих узловой вектор степеней свободы (перемещений). В общей системе координат этот вектор может быть записан в виде [10]:

(1.1)

Если узел i имеет n_i степеней свободы, а конечный элемент включает п_е узлов, то число степеней свободы одного элемента равно п_е Ч n_i. Число степеней свободы всей модели, имеющей п однотипных узлов равно N=n Ч n_i Набор всех степеней свободы модели составляет общий (глобальный) вектор степеней свободы (то есть узловых перемещений модели), в котором нумерация степеней свободы может быть общей (глобальной) или по номерам узлов с добавлением индекса узловой степени свободы

где {U,} - подматрица, составленная из всех п_i, компонентов перемещения узла i. В частности, для трехмерной задачи при использовании общей декартовой системы координат х, у, z эта подматрица является вектором перемещений узла (1.1). Переход от узловой нумерации к общей очевиден. Например, для рассмотренного выше случая трех степеней свободы в узле формулы преобразования имеют следующий вид: u_ix = u_3i-2, u_iy = u_3i-1, и_iz = u_3i.

Для тепловой задачи один узел с глобальным номером i имеет одну степень свободы - температуру Т_i. Общий (глобальный) вектор степеней свободы в этом случае имеет вид

1.2.3 Анализ результатов исследования

В задаче деформирования после определения глобального вектора степеней свободы {U} находят элементные векторы узловых перемещений {U}_e. Через них путём интерполяции с помощью функций формы вычисляются перемещения любых точек элементов. Для стержневых элементов по известным векторам {U}_e из уравнений находят вектора {F}_e, а затем методами сопротивления материалов вычисляют внутренние силы, моменты и напряжения. Для плоских и объёмных элементов, дифференцируя аппроксимирующие функции перемещений внутри элементов, находят деформации и по закону Гука вычисляют напряжения [11].

Для конечных элементов первого порядка с линейной интерполяцией перемещений величины деформаций и напряжений внутри элементов получаются постоянными, следовательно, на межэлементных границах эти величины будут иметь разрывы. Для квадратичных элементов и элементов более высокого порядка с нелинейной интерполяцией перемещений величины деформаций и напряжений внутри элементов изменяются и вычисляются обычно приближенно. На границах элементов при таком подходе поля деформаций и напряжений имеют конечные разрывы. С целью уточнения результатов вычислений применяют различные способы усреднения. Например, в выбранном узле берут среднюю величину узловых значений напряжений, найденных для всех элементов, примыкающих к этому узлу. Более точные результаты получаются с помощью теории сопряжённой аппроксимации [6,10].

Реакции опор вычисляют из соответствующих уравнений общей системы, взятой до её модификации, учитывающей связи. Используя глобальную нумерацию компонентов векторов узловых сил, можно записать следующую формулу для реакций в опорных узлах:

В динамической задаче общий вектор узловых перемещений и все другие указанные выше величины (деформации, напряжения, реакции) находятся как функции времени. В задаче теплопроводности через найденные узловые температуры, используя аппроксимирующие функции формы, можно определить температуру любой точки, градиенты температур и потоки тепла. В нестационарной задаче теплопроводности все указанные выше величины определяются как функции времени.

1.3 Классификация ИМС и система условных обозначений

Из всех изделий микроэлектроники наибольшее распространение получили интегральные микросхемы. Именно они характеризуют современный уровень развития микроэлектроники. Техника изготовления интегральных микросхем основана на обобщении как ранее используемых в полупроводниковом производстве и при получении пленочных покрытий групповых технологических приемов, так и новых технологических процессов [12]. Это и определило два главных направления в создании интегральных микросхем: полупроводниковое и пленочное. Однако совершенствование полупроводниковой и пленочной технологии, а также возможность их комбинирования позволили выделить целый ряд новых самостоятельных направлений, по которым можно классифицировать интегральные микросхемы.

Для классификации интегральных микросхем можно использовать различные критерии: степень интеграции, физический принцип работы активных элементов, выполняемую функцию, быстродействие, потребляемую мощность, применяемость в аппаратуре и др. Наиболее распространена классификация по конструктивно-технологическим признакам, поскольку при этом в названии микросхемы содержится общая информация о ее конструкции и технологии изготовления.

Одним из основных критериев оценки технологического уровня производства и отработанности конструкции интегральной микросхемы является степень интеграции.

Важным конструктивным признаком интегральной микросхемы является тип подложки. По этому признаку все известные интегральные микросхемы можно подразделить на два класса: 1) микросхемы с активной подложкой; 2) микросхемы с пассивной подложкой. К первому классу относят микросхемы, все или часть элементов которых выполнены внутри самой подложки, представляющей собой пластину из полупроводникового материала, а второму -- микросхемы, элементы которых размещены на поверхности подложки, выполненной из диэлектрического материала. Тип подложки определяется технологией изготовления интегральной микросхемы. Для полупроводниковых ИМС используют активные и пассивные подложки, для пленочных и гибридных ИМС, как правило, -- пассивные, для БИС -- активные и пассивные, СВЧ- и пьезокерамических микросхем -- пассивные подложки [13].

На рис. 1.2 приведена классификация интегральных микросхем по конструктивно-технологическим признакам и физическому принципу работы элементов.

Для интегральных микросхем любого типа основными и наиболее сложными элементами являются транзисторы, которые по физическому принципу подразделяются на биполярные и униполярные (на МДП-структурах). В гибридных интегральных микросхемах используют бескорпусные дискретные биполярные и МДП-транзисторы, изготовляемые на основе кремния по планарно-эпитаксиальной технологии, диоды, бескорпусные микросхемы (иногда называемые чипами). В полупроводниковых интегральных микросхемах применяют биполярные и МДП-транзисторы, изготовляемые в основном по планарной технологии.

Все интегральные микросхемы подвергают герметизации с целью защиты их от внешних воздействий. По конструктивно-технологическим признакам герметизации интегральные микросхемы делят на корпусные и бескорпусные. Для первых применяют вакуумную герметизацию в специальных корпусах или опрессовку в пластмассу. Для вторых -- покрытие эпоксидным или другими лаками.

Рис. 1.2

По функциональному назначению различают цифровые, аналоговые (линейные) и аналого-цифровые интегральные микросхемы, а по применяемости в аппаратуре -- изделия широкого и специального применения (по заказу потребителя).

Интегральные микросхемы стали основой элементной базы для всех видов электронной аппаратуры. Для построения различной аппаратуры (цифровой, аналоговой и комбинированной - аналого-цифровой) необходимы не отдельные микросхемы, а функционально полные системы (серии) микросхем. Поэтому элементную базу микроэлектронной аппаратуры составляют серии интегральных микросхем -- совокупность микросхем, выполняющих различные функции, имеющих единую конструктивно-технологическую основу и предназначенных для совместного применения в аппаратуре.

Состав серии определяется в основном функциональной полнотой отдельных микросхем, удобством построения сложных устройств и систем и типом стандартного корпуса. В зависимости от функционального назначения и областей применения серии могут содержать от трех-четырех до нескольких десятков различных типов микросхем. С течением времени состав перспективных серий расширяется.

Все выпускаемые интегральные микросхемы в соответствии с принятой системой условных обозначений по конструктивно-технологическому исполнению делятся ив три группы: полупроводниковые, гибридные и прочие. К последней группе относят пленочные ИМС, которые в настоящее время выпускаются в ограниченном количестве, а также вакуумные, керамические и др. Этим группам в системе условных обозначений присвоены следующие цифры: 1, 5, 7 -- ИМС полупроводниковые (7 -- бескорпусные полупроводниковые ИМС); 2, 4, 6, 8 -- ИМС гибридные; 3 -- ИМС прочие.

По характеру выполняемых функций в радиоэлектронной аппаратуре ИМС подразделяются на подгруппы (например, генераторы, усилители, модуляторы, триггеры) и виды (например, преобразователи частоты, фазы, напряжения).

По принятой системе обозначение ИМС состоит из четырех элементов.

Первый элемент -- цифра, соответствующая конструктивно-технологической группе.

Второй элемент -- две-три цифры, присвоенные данной серии ИМС как порядковый номер разработки. Таким образом, первые два элемента составляют три-четыре цифры, характеризующие полный номер серии ИМС.

Третий элемент -- две буквы, соответствующие подгруппе и виду ИМС.

Четвертый элемент -- порядковый номер разработки ИМС в данной серии, в которой может быть несколько одинаковых по функциональному признаку ИМС. Он может состоять как из одной, так и из нескольких цифр.

На рис. 1.3 приведен пример обозначения интегрального полупроводникового операционного усилителя с порядковым номером разработки серии 40, порядковым номером разработки данной микросхемы в серии по функциональному признаку 11.

Рис. 1.3 Пример условного обозначения полупроводниковой интегральной микросхемы

Иногда в конце условного обозначения добавляют букву, определяющую технологический разброс электрических параметров данного типономинала. Конкретное значение электрических параметров и отличие каждого типономинала друг от друга приводятся в технической документации.

В некоторых сериях (это также оговаривается в технической документации) буква в конце условного обозначения ИМС определяет тип корпуса, в котором выпускается данный типономинал. Например, буква П обозначает пластмассовый корпус, а буква М -- керамический. Для микросхем широкого применения в начале условного обозначения указывается буква К. Обозначение принимает вид К140УД11. Если после буквы К перед номером серии указывается еще буква М, то это означает, что данная серия вся выпускается в керамическом корпусе (например, КМ155ЛА1).

Для серии в бескорпусном варианте, без присоединения выводов к кристаллу микросхемы, ставят букву Б перед обозначением серии (например, КБ524РП1А-4).

Для бескорпусных ИМС в состав сокращенного обозначения, через дефис вводится цифра, характеризующая соответствующую модификацию конструктивного исполнения (например, 703ЛБ1-2): с гибкими выводами -- 1; с ленточными (паучковыми) выводами, в том числе на полиимидной пленке, -- 2; с жесткими выводами -- 3; на общей пластине (неразделенные) -- 4; разделенные без потери ориентации (например, наклеенные на пленку) -- 5; с контактными; площадками без выводов (кристалл) -- 6.

1.3.1 Полупроводниковые ИМС

Полупроводниковые интегральные микросхемы получили широкое применение в основном из-за массового их использования в вычислительной технике. Все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Полупроводниковые интегральные микросхемы изготовляют на основе планарной технологии полупроводниковых приборов. Все элементы полупроводниковых ИМС (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и др.) формируют в едином технологическом потоке в тонком поверхностном слое полупроводниковой пластины (подложки) диаметром 40--150 мм и толщиной 0.2--0,4 мм [14].

На одной подложке диаметром 40--75 мм одновременно изготовляют до 1000 микросхем, после чего ее разрезают алмазным резцом или другими способами на прямоугольные пластины -- отдельные кристаллы микросхемы [15]. Кристалл микросхемы крепят к основанию корпуса и, выполнив необходимые электрические соединения с внешними выводами, герметизируют.

Различают четыре типа полупроводниковых интегральных микросхем:

· планарно-диффузионные (однокристальные) на биполярных структурах;

· совмещенные (с тонкопленочными пассивными элементами);

· на МДП-структурах (металл--диэлектрик--полупроводник);

· многокристальные.

В планарно-диффузионных микросхемах элементы представляют собой области с различным типом электропроводности внутри монокристаллической полупроводниковой подложки. Эти элементы изолированы друг от друга либо обратносмещенным р-n-переходом, либо слоем диэлектрического материала, например окиси кремния.

Совмещенные микросхемы (рис. 1.4) -- это сочетание полупроводниковой микросхемы с тонкопленочными элементами на подложке из кремния. Осаждение тонких пленок производят непосредственно после выполнения всех диффузионных операций; с помощью тонкопленочной технологии создают резисторы и конденсаторы. Эти элементы в микросхеме могут быть выполнены более точными по номинальным значениям по сравнению с диффузионным методом.

Рис. 1.4 Структура совмещенной микросхемы

Поэтому совмещенную технологию используют в основном для создания аналогичных (линейных) микросхем.

Микросхемы на МДП-структурах выполняют на основе полевого транзистора с изолированным затвором, структура которого показана на рис. 1.5. В интегральных микросхемах эти транзисторы используют в качестве как активных, так и пассивных элементов (нагрузочных резисторов), что обеспечивает максимальную повторяемость и технологичность при изготовлении микросхем. Микросхемы на МДП-структурах имеют более высокую степень интеграции по сравнению с другими типами подулупроводниковых микросхем.

Рис. 1.5 Полевой транзистор с изолированным затвором

Многокристальные микросхемы состоят из отдельных компонентов, расположенных на общей подложке и соединенных между собой тонкопленочными проводниками и проволочными выводами. С целью герметизации общую подложку размешают в корпусе. Изготовление многокристальных микросхем требует меньшего числа технологических операций, поскольку все компоненты выполняются отдельно; однако эти микросхемы в условиях массового производства несколько дороже, поскольку в них трудно автоматизировать сборочные операции.

Многокристальные микросхемы обладают лучшими рабочими характеристиками, так как влияние паразитных связей в них меньше, чем в однокристальных ИМС.

1.3.2 Пленочные и гибридные ИМС

В пленочных интегральных микросхемах элементы реализуются в виде пленок различной конфигурации из разных материалов. В зависимости от толщины используемых пленок и способа их нанесения различают тонкопленочные и толстопленочные ИМС.

Все элементы пленочной ИМС и соединения между ними наносят в определенной последовательности и требуемой конфигурации через трафареты на нагретую до соответствующей температуры полированную подложку (обычно из керамики). ИМС, в которых пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) выполнены в виде пленок, а активными являются полупроводниковые приборы или кристаллы микросхем, называют гибридными. При изготовлении тонкопленочных резисторов в качестве материалов применяют хром, нихром, тантал, металлокерамические смеси, при изготовлении тонкопленочных конденсаторов -- моноокись кремния и германия, окись тантала, а также органические пленки. Для получения проводников и контактных площадок используют медь, алюминий, золото, никель и другие материалы.

В настоящее время не существует стабильных пленочных активных элементов (диодов и транзисторов), так как возникают большие трудности при изготовлении качественных монокристаллических полупроводниковых пленок. Так, получаемые напылением в вакууме монокристаллические полупроводниковые пленки на изолирующей подложке, несмотря на принимаемые меры, содержат нежелательные примеси, приводящие к нестабильности и малому сроку службы активных элементов.

При изготовлении гибридных ИМС активные элеценты размещают на плате с пассивными элементами, представляющей собой тонкопленочную либо толстопленочную ИМС. В качестве активных элементов в гибридных ИМС применяют дискретные полупроводник новые миниатюрные элементы (диоды и транзисторы), а также диодные и транзисторные матрицы.

Активные элементы дли гибридных ИМС применяют или бескорпусными, поверхность которых защищена с помощью специальных защитных покрытий (лаки, эмали, смолы, компаунды и т. д.), или в миниатюрных металлических корпусах.

Наиболее распространенная конструкция толстопленочной интегральной микросхемы представляет собой керамическую подложку с пассивными и активными элементами, армированную иеобходимым количеством выводов, закрытую со стороны электрической схемы металлическим колпачком и залитую с обратной стороны изолирующим компаундом.

К достоинствам микросхем на толстых пленках относятся сравнительно меньшие сложность и стоимость оборудования для их изготовления, малые затраты при эксплуатации оборудования и более широкие возможности массового производства. Из схемотехнических преимуществ, следует указать на возможность изготовления резисторов больших номиналов. Недостатком микросхем на толстых пленках является трудность получения конденсаторов большой емкости (более 0.2 мкФ/см²).

Основные преимущества гибридных интегральных микросхем: возможность создания широкого класса цифровых и аналоговых микросхем при сравнительно коротком цикле их разработки: возможность получения пассивных элементов широкой номенклатуры с жесткими допусками; универсальность метода конструирования микросхем, позволяющая применять в качестве активных элементов бескорпусные интегральные микросхемы, МДП-приборы, диодные и транзисторные матрицы и т. д.; сравнительно высокий процент выхода годных микросхем.

1.3.3 Большие интегральные микросхемы

Как отмечалось, основной тенденцией интегральной микроэлектроники является повышение степени интеграции микросхем. Наряду с этим возрастает и функциональная сложность интегральных микросхем.

Для современной микроэлектроники характерна комплексная интеграция: технологических процессов, элементов на подложке, схемных функций в пределах единой структурной единицы, новых физических явлений, методов проектирования и этапов процесса создания микросхем.

Увеличение степени интеграции связано с уменьшением размеров активных и пассивных элементов, совершенствованием технологии изготовления и обработки подложек больших размеров, использованием новых, более совершенных активных элементов, обладающих технологическими и функциональными преимуществами и повышенной надежностью.

Увеличение числа элементов и возрастание функциональной плотности обусловили создание микросхем с высокой степенью интеграции -- больших интегральных схем (БИС) [16].

Основными параметрами, характеризующими конструктивно-технологические и схематические особенности БИС, являются степень интеграции, функциональная сложность, интегральная плотность, функциональная плотность и информационная сложность.

Функциональная сложность -- среднее число преобразований в микросхеме, приходящихся на одну переменную.

Интегральная плотность -- число элементов, приходящихся на единицу площади, занимаемой БИС.

Информационная сложность -- среднее число элементов в БИС, приходящихся на преобразование одной переменной.

БИС являются сложными микросхемами, в объеме которым реализуются блоки, узлы и целые радиоэлектронные устройствам. Поэтому БИС не обладают широкой универсальностью и предназначаются в основном для конкретных типов аппаратуры.

Переход на БИС требует новых качественных изменений в конструировании радиоэлектронной аппаратуры.

Изготовление в едином технологическом процессе сложного функционального узла позволяет производить наилучшую оптимизацню его параметров, так как ведется расчет не отдельных элементов, а узла в целом. Объединение элементов в БИС повышает быстродействие узлов, уменьшает их восприимчивость к помехам: сокращается задержка передачи сигнала, достигается хорошая защита элементов от внешних помех.

Помимо повышения степени интеграции в пределах конструктивно оформленной микросхемы БИС дает возможность получить более высокие качественные показатели и большую надежность радиоэлектронных устройств при меньших затратах.

Повышение надежности БИС достигается путем уменьшения числа соединений в пределах одного реализуемого узла и сокращения количества технологических операций.

Снижение стоимости БИС по сравнению с узлами на обычных микросхемах обусловливается прогрессом технологии, позволяющим увеличивать степень интеграции, и уменьшением объема монтажно-сборочных работ.

По виду обрабатываемой информации БИС можно классифицировать на цифровые и аналоговые. Цифровые БИС обычно используют в устройствах обработки информации, к которым относятся полупроводниковые запоминающие устройства, многоразрядные регистры, счетчики, сумматоры и др. Примерами аналоговых БИС являются преобразователи напряжение -- код и код -- напряжение, блоки аппаратуры связи (тракты высокой и промежуточной частот, формирователи сигналов, многокаскадные схемы радиоустройств и т. д.).

По степени применяемости в разработках аппаратуры различают БИС общего и специального назначения.

Примерами цифровых БИС общего назначения являются различные полупроводниковые запоминающие устройства, регистры, дешифраторы, субсистемы и специальные вычислители. Аналоговые БИС общего назначения -- это субсистемы взаимного преобразования напряжения в код, прецизионные операционные усилители высшего класса, усилители для высококачественного воспроизведения звука, СВЧ-субсистемы модулей для фазированных антенных решеток и другие устройства. К аналоговым БИС специального назначения относятся усилительные тракты радиоприемных и радиопередающих устройств на фиксированные частоты, формирователи частот из последовательности, определяемой частотами задающих генераторов или внешней тактовой частотой, и другие субсистемы.

Наибольшее применение БИС получили в вычислительных системах с производительностью порядка нескольких миллионов операций в секунду, где используют в основном полупроводниковые и гибридные БИС.

Развитие БИС происходит в направлении увеличения степени их интеграции и создания сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Число функциональных элементов в них может составлять несколько тысяч и даже десятков тысяч. Многокристальные СБИС могут объединять в одном корпусе несколько кристаллов БИС и дискретных бескорпусных активных элементов, образующих, например, всю электронную часть вычислительной машины. При разработке таких микросхем решают задачи не только схемотехники, но и системотехники.

1.3.4 Корпуса для интегральных микросхем

Корпуса интегральных микросхем должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих их надежную эксплуатацию. Корпус должен обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать нагрузки, возникающие при сборке, соединении с другими корпусами и во время эксплуатации. Стремятся получить возможно меньшие размеры корпуса и придать ему форму, позволяющую осуществлять компактную сборку. Конструкция корпуса должна позволять легко и надежно выполнять электрические соединения между микросхемой, расположенной внутри корпуса, и другими микросхемами. Паразитные индуктивности и емкости, несмотря на высокую плотность проводников в корпусе, должны быть минимальными, элементы в микросхеме -- надежно изолированы друг от друга, а тепловое сопротивление между микросхемой и окружающей средой должно иметь минимально возможное значение.

Как правило, корпус интегральной микросхемы должен быть герметичным. Внутренняя среда в корпусе не должна сказываться на его рабочих характеристиках и надежности. Корпус должен защищать прибор или микросхему от внешних воздействий, в том числе от влияния света либо другого внешнего излучения, химического воздействия, например кислорода или влажности.

Для полупроводниковых микросхем разработано большое число различных типов корпусов, но применяют в основном плоский металлостеклянный или керамический, модифицированный вариант транзисторного корпуса типа ТО и пластмассовый корпус

Плоский корпус может быть прямоугольным или квадратным. Прямоугольный плоский металлостекляниый корпус имеет размеры 9,8Ч6,5 мм, высоту 2 мм и 14 выводов при шаге 0,625 мм.

Корпус типа ТО имеет круглую форму, диаметр 9,6 мм, высоту 4,6 мм, 8, 10 или 12 выводов. Корпуса типа ТО обладают высокой надежностью и хорошей экранировкой микросхемы от внешних электромагнитных воздействий. Основной деталью корпуса является металлический колпачок с отверстиями (по числу выводов), расположенными равномерно по кругу.

Пластмассовый корпус (рис. 1.8) находит все большее применение для полупроводниковых микросхем благодаря сравнительно невысокой стоимости. В отличие от корпусов других типов он не обладает способностью отводить теплоту и не может работать в больших температурных пределах, которые требуются в некоторых устройствах. Однако во многих случаях пластмассовый корпус вполне приемлем.

Рис.1.8 Пластмассовый корпус для полупроводниковых микросхем

Условное обозначение конструкции корпуса состоит из шифра типоразмера корпуса, числа, указывающего количество выводов, и номера модификации. Шифр типоразмера корпуса состоит из обозначения типа корпуса (1, 2, 3 или 4) и двухзначного числа (от 01 до 99), означающего номер типоразмера. Например, корпус 201.14-2 -- прямоугольный корпус типа 2, типоразмера 01, число выводов 14, модификация вторая.

Для гибридных микросхем применяют в основном три вида корпусов: металлостеклянный квадратный или прямоугольный, металлостеклянный круглый (по типу ТО) и пенальный.

Металлостеклянный квадратный корпус состоит из металлического основания с впаянными изолированными выводами, изолятора и металлической крышки. Выводы в основании корпуса герметизируют металлостеклянным спаем. После окончательного монтажа микросхемы герметизацию корпуса производят электронно-лучевой сваркой основания с крышкой. Допустимая рассеиваемая мощность 750 мВт.

Металлостеклянный круглый корпус состоит из изолятора, металлического фланца, крышки и выводов. Фланец имеет ключ, расположенный против вывода. Выводы в основании корпуса герметизируют металлостеклянным спаем. После окончательного монтажа микросхемы герметизацию корпуса осуществляют конденсаторной сваркой металлического фланца с крышкой. Допустимая рассеиваемая мощность 60 мВт.

Металлостеклянный круглый корпус на восемь выводов может иметь в необходимых случаях вывод, который приваривается к фланцу и служит для заземления корпуса.

Пенальный корпус состоит из алюминиевого кожуха, в который вставляют плату с пленочной микросхемой. К контактным площадкам приваривают контактную гребенку из меди (лента толщиной 0,1 мм, мягкая, серебреная), после обрезки которой образуются выводы. Транзисторы помещают в кассету, которую укрепляют на плате клеем, при совмещении выводов транзисторов с соответствующими контактами. Герметизацию корпуса осуществляют путем заливки компаундом со стороны выводов.

Кроме описанного вида применяют пенальные корпуса, состоящие из пластмассового основания с впрессованными в него выводами, изготовленными из бронзы, и алюминиевого кожуха.

При выборе вида корпуса руководствуются требованиями, предъявленными к условиям работы гибридной интегральной микросхемы. Корпусная защита рекомендуется в случаях длительной (более 10 сут.) эксплуатации микросхем в условиях повышенной влажности.

Рассмотренные металлостеклянные и металлополимерные (пенальные) корпуса обеспечивают длительную работу в условиях повышенной относительной влажности (до 98%) и в температурном диапазоне от -60 до +125 °С.

2. Анализ программного обеспечения для моделирования механических и тепловых процессов

В работе использовались следующее программное обеспечение для решения поставленных задач: AutoCAD, ANSYS Workbench, ANSYS Icepak. Система AutoCAD использовалась для создания 3-D модели корпуса микросхемы, которая используется для механических расчетов в ANSYS Workbench и тепловых в ANSYS Icepak. Далее приведено описание каждой из систем.

2.1 Система Autocad

AutoCAD -- это графическая система, работающая по принципу открытой архитектуры, кто позволяет применять AutoCAD не только для решения задач по строительству и архитектуре, но и множества других проектов [18].

Сам по себе AutoCAD предназначен для автоматизации проектно-конструкторских работ, очень удобен для работы как отдельных архитекторов и проектировщиков, так и для работы целого бюро.

Главная задача САПР AutoCAD -- это предоставить возможность специалистам для автоматизированного параметрического твердотельного моделирования трехмерных объектов, состоящих из нескольких сотен компонентов [19]. Позволяет организовывать совместную работу нескольких специалистов разом, а также удобный обмен данных, как с другими САПР, так и с графическими редакторами, а также широкие возможности по проектировке конструкторской документации и осуществлению документооборота. Рабочая среда AutoCAD приведена на рисунке 2.1.



Рис 2.1 Рабочая среда AutoCAD

AutoCAD обеспечивает высокую скорость работы по проектировке трехмерных изделий, также очень широкие возможности по комплексному редактированию готовых моделей, а также возможности перевода трехмерного изображения в двухмерное и наоборот. Помимо этого AutoCAD предоставляет удобные возможности по предоставлению разреза и других возможных представлений спроектированной детали, это ощутимо экономит время конструкторам.

Ранние версии AutoCAD оперировали элементарными объектами, такими как круги, линии, дуги и др., из которых составлялись более сложные объекты [20]. Однако на современном этапе программа включает в себя полный набор средств, обеспечивающих комплексное трёхмерное моделирование, в том числе работу с произвольными формами, создание и редактирование 3D-моделей тел и поверхностей, улучшенную 3D-навигацию и эффективные средства выпуска рабочей документации. Начиная с версии 2010, в AutoCAD реализована поддержка параметрического черчения, то есть возможность налагать на объект геометрические или размерные зависимости. Это гарантирует, что при внесении любых изменений в проект, определённые параметры и ранее установленные между объектами связи сохраняются.

Самые современные версии AutoCAD позволяют вести работу одновременно над несколькими чертежами, которые могут быть связаны и менять свои параметры относительно друг друга. Так же имеет очень мощные средства по визуализации спроектированной модели в трехмерном пространстве. Удобный и адаптивный интерфейс AutoCAD позволит настроить его под нужды конкретного пользователи, либо задачи, связывает графические объекты с внешними базами данных. Позволяет использовать чертеж в режиме просмотре без его обязательной загрузки.

Многие компании специально разрабатывают дополнительные модули, плагины и приложения для AutoCAD. Эти решения ощутимо расширяют систему, позволяют рассчитывать прочностные характеристики моделей, изменять принцип работы, дополнять базу материалов, рассчитывать воздействие различных погодных и других явлений, рассчитать динамику и кинематику объекта и провести полные исследования без изготовления прототипа изделия.

Пользователи AutoCAD всегда имеют под рукой эффективную систему документации. Она позволяет создавать разнообразные проекты, работать с таблицами и текстовыми вставками, ускоряет проверку чертежей, а также взаимодействует с MS Excel [21]. Для работы с двухмерными проектами лучшей утилиты просто не найти, ведь она располагает самими необходимыми инструментами.

Программа обладает удобным интерфейсом, пользователю доступно масштабирование изображений, а также панорамные функции. Кроме основного функционала для составления чертежей, утилита посредством ссылок позволяет выполнять привязку объектов, которые хранятся в иной базе данных. Еще один дополнительный и весьма полезный инструмент AutoCAD - вывод на печать нескольких чертежей одновременно.

Последняя версия утилиты располагает инструментами для трехмерного проектирования, дает возможность просматривать модели под различными углами, экспортировать их с целью создания анимации, проверять интерференцию, извлекать данные для проведения технического анализа.

AutoCAD поддерживает несколько форматов файлов:

1. DWG - закрытый формат, разрабатываемый непосредственно утилитой;

2. DXF - открытый формат, используется для обмена данными с пользователями иных САПР;

3. DWF - для публикации 3D-моделей и чертежей.

Все перечисленные форматы позволяют работать с несколькими слоями, в результате чего проектирование становится особенно удобным, ведь в такой способ над каждым объектом можно трудиться по отдельности. Слои при необходимости можно отключать, делая тем самым объекты невидимыми.

Помимо этого, программа поддерживает чтение и запись (посредством процедур экспорта/импорта) файлов таких форматов: SAT, DGN, 3DS. Сегодня без настоящего программного обеспечения не обходится ни одно архитектурно-проектное бюро. Это и не удивительно, ведь AutoCAD поддерживает как индивидуальную, так и коллективную разработку архитектурных проектов [22].

Благодаря специальным алгоритмам визуализации, существенно ускоряется обработка ресурсоемких процессов. К тому же, в утилите предусмотрен вывод на печать материалов больших размеров, что весьма важно при составлении крупных проектных планов.

2.1.1 Обзор интерфейса AutoCAD

На рисунке 2.2 приведено главное окно программы. Интерфейс программы состоит из:



Рис. 2.2 Главное окно программы

1. панели быстрого доступа;

2. ленты;

3. строки состояния;

4. видовой панели;

5. командной строки;

6. рабочего поля.

1. Панель быстрого доступа (рис. 2.3).

По умолчанию включает в себя стандартный набор наиболее часто используемых команд: «Создать», «Открыть», «Сохранить», «Печать», «Отменить» и «Повторить». Программа предоставляет возможность самостоятельно задать команды и инструменты, выводимые на панель быстрого доступа.

Рис 2.3 Панель быстрого доступа

2. Лента (рис. 2.4).

Структура ленты состоит из вкладок, содержащих несколько панелей каждая, которые в свою очередь включают в себя инструменты и элементы управления. По умолчанию лента расположена в верхней части окна. AutoCAD предоставляет возможность пользователю самостоятельно редактировать внешний вид ленты, а также делать панели плавающими, открепляя их от ленты.

Рис. 2.4 Основные элементы ленты

Основные элементы Ленты:

1. Вкладка - включает в себя сгруппированные панели. Очередность расположения вкладок на ленте можно изменять.

2. Панель - Содержит набор инструментов.

3. Кнопка развертывания - Развертывает панель для отображения дополнительных инструментов.

4. Развернутая панель.

5. Булавка - по умолчанию отключена, в таком режиме развернутая панель автоматически сворачивается при отводе от нее курсора. При включенной булавке, развернутая панель не сворачивается.

6. Название панели.

3. Строка состояния (рис. 2.5).

Строка состояния включает в себя значки для быстрого доступа и управления чертежными средствами. При помощи контекстного меню, открываемого щелчком ПКМ по полю строки, можно переключать вид отображения строки - знаки или текстовые метки.

В левой части строки находятся значки управления и доступа чертежными средствами: «Привязка», «Сетка», «Вес линий», «Динамический ввод».

Рис. 2.5 Строка состояния

4. Видовая панель (рис. 2.6).

Видовая панель является модулем управления видового окна и включает в себя:

· Гизмобокс, предназначен для перемещения и вращения вида в пространстве. Включает в себя возможность выбора стандартных проекционных видов;

· меню выбора системы координат;

· меню видовых инструментов.

Рис. 2.6 Видовая панель

5. Командная строка (рис. 2.7).

Командная строка в текстовом режиме отображает все производимые операции пользователя. А также дает возможность текстового ввода команд и использования подменю команд в текстовом режиме.