8. Особенности конструирования БИС и аппаратуры на их основе.8.1. Виды, объекты применения БИС и основные задачи конструктора презентация

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.

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.

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 103 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.

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

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:
Nв = αNр,
где α = 2,5..3 – среднее количество выводов элемента (вентиля) схемы;
p = 0,5..0,75 – показатель Рента.

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.

с произвольной логикой выделяют три направления:
плоские корпуса с выводами с четырех сторон;
безвыводные корпуса (носители кристаллов);
корпуса с матрицей выводов.

(внешний) вывод;
2 – напыленный вывод;
3 – рамка;
4 – крышка;
5 – кристалл;
6 – проволочный
(внутренний) вывод;
7 – основание;
8 – радиатор

– кристалл;
3 – проволочный
(внутренний) вывод;
4 – рамка;
5 – внешний вывод;
6 – основание корпуса;
7 – радиатор

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

вывод;
3 – крышка;
4 – кристалл;
5 – внутренние соединения

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.

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).

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).

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

(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 см2);
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.

(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

– внутренний (проволочный вывод);

4 – кристалл;
5 – крышка

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 субблоков.

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.

объединительными платами

принципа пакетирования

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.

(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.

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.

качество соединения и меньший процент брака по сравнению с конденсационной пайкой;
меньшая энергоемкость.
Основной недостаток – неравномерность нагрева.

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

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.

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.

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 ·108 м/с (у полосковой линии связи - 1,3·108 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.

– 0,078 мм, внешнего – 0,24 мм, изоляция тефлон, наружный экран – сплошной слой медного гальванического покрытия, волновое сопротивление – 50 Ом.

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.

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).