книги / Микроэлектроника. Базовые матричные кристаллы и программируемые логические матрицы

Так как специализированные БИС широко применя­ ются для замены групп универсальных микросхем малой и средней степени интеграции, то в качестве базового разумно принять печатный модуль (печатная плата с микросхема­ ми).

Для оценки эффективности применения специализи­ рованных БИС рассмотрим следующий пример. Контроллер микроЭВМ (устройство управления) выполняется в виде трех различных модулей: печатной платы с универсаль­ ными микросхемами средней степени интеграции, полузаказной БИС на основе БМК и заказной БИС, разработан­ ной методом полного проектирования. В табл. 1.1 при­ ведены технико-экономические характеристики контроллера для рассматриваемых вариантов его исполнения. Нагляд­ ное представление о зависимости стоимости от объема производства модулей дает рис. 1.1. Нормирование стои­ мости проведено относительно стоимости печатного модуля

Т а б л и ц а 1.1

Сравнение различных методов проектирования специализированного контроллера [8]

при больших объемах производства N , которая в основном определяется стоимостью микросхем.

Рис. 1.1. Сравнение стоимости модулей различного конструктивного исполнения при различныж объемах производства БИС:

1 — печатная плата; 2 — полуэакаэная БИС на основе БМК; 3 — заказная БИС

2.Сравнение зависимостей стоимости модулей от объема производства показывает, что полузаказные БИС на основе БМК выгодно применять при средних объемах производ­ ства (тысячи — десятки тысяч штук). Время разработки устройства в виде печатного модуля и матричной БИС примерно одинаковое.

3.При больших объемах производства (сотни тысяч —

миллионы штук) наименьшую стоимость имеют заказные БИС, выполненные методом полного проектирования. При этом время проектирования модуля увеличивается в три-четыре раза.

4. Использование метода стандартных ячеек при проек­ тировании заказных БИС позволяет уменьшить время и затраты на разработку, однако при этом несколько повы­ шается стоимость БИС при больших объемах производства из-за увеличения площади кристаллов и соответственно

снижения процента выхода годных кристаллов. Выпуск таких БИС выгоден при объемах производства в десятки— сотни тысяч штук.

5.Сравнивая БИС на основе БМК и программируемые

спомощью заказных фотошаблонов ПЛМ и ПЗУ, необхо­ димо отметить, что БМК выгодно применять при проекти­ ровании БИС высокого быстродействия, достигаемого

благодаря минимизации длины пленочных проводников. В ПЛМ и ПЗУ используются длинные соединительные шины с большими паразитными емкостями, снижающими быстродействие БИС. В БИС на основе БМК можно реали­ зовать более широкий класс сложных функций.

В специализированных БИС низкого быстродействия используют ПЛМ и ПЗУ вследствие простоты разработки заказного фотошаблона, как правило одного. Сокращаются сроки и затраты на проектирование, но увеличиваются площадь кристалла (для ПЛМ и ПЗУ характерны большая избыточность элементов при их использовании в качестве устройств обработки информации) и соответственно стои­ мость при больших объемах производства. ПЛМ и ПЗУ выгодно применять при малых объемах производства (десятки — сотни штук).

6. Логические матрицы, программируемые в условиях производства аппаратуры, выгодно применять для изго­ товления небольших партий специализированных БИС, так как требуются небольшие затраты на программиро­ вание при использовании специальных программаторов. Площадь кристаллов таких БИС максимальна (ее увеличи­ вают встроенные устройства программирования), и они имеют повышенную стоимость при больших объемах производства.

БАЗОВЫЕ МАТРИЧНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

§ 2.1. Принципы построения и параметры базовых матричных кристаллов

Базовый матричный кристалл содержит сформированную заранее матрицу базовых ячеек, расположенную в централь­ ной части, и группу буферных ячеек (ячеек интерфейса — ввода — вывода), расположенных по периферии кристалла (рис. 2.1). В состав ячеек входят группы нескоммутированных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов) и отрезков полупроводниковых шин для реализации пере­

ковых шин формируются различные функциональные элементы (логические элементы, триггеры, счетчики, регист­ ры и др.), буферные элементы и соединения между ними.

В матричных БИС, как правило, основные функциональ­ ные элементы работают в режиме малого потребления энергии, обеспечивающем необходимое быстродействие. Буферные элементы, предназначенные для осуществления внешних связей матричной БИС, потребляют повышенную мощность, что необходимо для согласования по уровням логического напряжения, нагрузочной способности и поме­ хоустойчивости.

Для упрощения процесса проектирования и сокращения сроков разработки БИС на основе БМК широко исполь­ зуются библиотеки функциональных элементов. Топология функционального элемента в виде фрагмента БИС с уни­ фицированными размерами разрабатывается на основе эле­ ментов одной или нескольких рядом расположенных ячеек. Вся информация о топологии фрагментов хранится в базе данных системы автоматизированного проектирования.

На основе БМК могут быть выполнены цифровые, анало­ говые, аналого-цифровые и цифро-аналоговые БИС. Набор

Рис. 2.1. Типовые структуры БМК:

■— со сплошным массивом однородных ячеек; б — с массивом однородных ячеек или макроячеек, раз*

элементов ячеек БМК, предназначенных для изготовления аналоговых БИС, позволяет формировать усилители, ком­ параторы, аналоговые ключи и другие устройства. В состав ячеек входит большое число разнообразных активных и пассивных элементов, например п-р-п и р-п-р-транзи­ сторы, резисторы с большим диапазоном номиналов, конденсаторы. К параметрам пассивных элементов обычно предъявляется требование достаточно высокой точности и стабильности. В состав БМК, предназначенных для из­ готовления аналого-цифровых БИС, входят обычно две матрицы ячеек: для формирования соответственно аналого­ вых и цифровых устройств.

Базовые матричные кристаллы для цифровых и аналого­ вых БИС строятся на основе биполярных транзисторов и полевых транзисторов с изолированным затвором. Более широкое применение в аналоговых БИС получили би­ полярные транзисторы с высокой крутизной проходной вольт-ампер ной характеристики.

Матрицы могут состоять из однородных или неоднород­ ных ячеек. В БМК, предназначенных для реализации цифровых БИС с невысокой степенью интеграции (около 1000 логических элементов), используются однородные ячейки, для цифровых БИС с высокой степенью интег­ рации (около 10 000 логических элементов) и цифровоаналоговых БИС — матрицы с неоднородными ячейками.

Применяется два способа организации ячеек матрицы

БМК:

1. На основе элементов ячейки может быть сформирован один базовый логический элемент, выполняющий элемен­ тарную функцию,—НЕ, И-НЕ, ИЛИ-HE с разветвления­

метры элементов определяются электрической схемой базо­ вого логического элемента.

2. На основе элементов ячейки может быть сформирован любой функциональный элемент библиотеки. Типы эле­ ментов и их число определяются электрической схемой самого сложного функционального элемента.

При первом способе построения ячеек можно получить достаточно высокие коэффициент их использования в со­ ставе матрицы, коэффициент использования площади БМК и соответственно повышенную степень интеграции БИС. Для трассировки соединительных проводников требуется мощная система автоматизированного проектирования.

При втором способе построения ячеек БМК упрощается система автоматизированного проектирования БИС, так как посадочные места одинаковых по форме и размерам ячеек заранее определены. Однако, если в проектируемой БИС используется достаточно много простых функциональ­ ных элементов библиотеки с низким коэффициентом исполь­ зования элементов ячейки, снижаются коэффициент ис­ пользования площади кристалла и степень интеграции БИС.

В матричных БИС электрические соединения выпол­ няются с помощью металлических (проводниковых) и по­ лупроводниковых (моно- и поликристаллических) шин. Шины цепей питания и заземления, как правило, выполня­ ются из алюминия, характеризующегося низким удельным сопротивлением. Легированные полупроводниковые шины, имеющие повышенное удельное сопротивление, в основном применяются для реализации коротких слаботочных сиг­ нальных цепей.

Для создания электрических связей между элементами используется одно- и многоуровневая металлизация. Боль­ шой практический интерес представляют конструкции матричных БИС с одним заказным уровнем металлизации. В этом случае существенно упрощается технология проек­ тирования и изготовления матричных БИС. Существует две разновидности конструкций кристаллов-полуфабрика­

с помощью которых осуществляется электрическое соедине­ ние элементов ячеек матриц при формировании функцио­ нальных элементов и соединение последних для реализа­ ции заказной БИС. Пластина с кристаллами полностью покрывается слоем металла. Требуемый рисунок межэлеМентных соединений формируется с помощью лишь одного заказного фотошаблона. Лишний металл удаляется с ТОх участков поверхности кристаллов, на которых не доЛ>кно быть никаких соединений. Так как все области контактов вскрыты с помощью окон в оксиде, то нельзя пр<?Ьодить связи в областях свободных (неиспользуемых) контактов. В конструкции БМК необходимо предусматри­ вать поля, свободные от контактов, для прокладки трасс электрических связей. Это ограничение не позволяет получить высокую плотность компоновки элементов на кристалле.

элементы, первого слоя проводников, окон во втором слое оксида и второго слоя проводников.

Для проводников, реализующих межфрагментные элект­ рические связи, на поле кристалла между ячейками матри­ цы выделяются свободные полосы — каналы (в кристаллах на биполярных приборах обычно это система ортогональных полос, в кристаллах на МОП-приборах — система ком­ планарных полос). Пропускная способность канала состав­ ляет 5 — 15 проводников. В пределах каналов располага­ ются также перемычки — полупроводниковые элементы «подныривания» для реализации пересечений ортогональ­ ных проводников (рис. 2.2). Для упрощения реализации коммутационной сети входы и выходы логических элементов или функциональных узлов, формируемых из элементов ячеек, располагаются по периферии ячеек, обращенной к каналу связи. Это упрощает автоматизированное проек­ тирование БИС, однако коэффициент использования площа­ ди кристалла снижается.

С целью повышения плотности компоновки БИС на биполярных транзисторах матрица БМК может быть выполнена в виде сплошного массива ячеек, в состав которых входят элементы и перемычки. Горизонтальные трассы проходят в областях расположения групп пассивных элементов (резисторов), находящихся под защитной оксид­ ной пленкой, вертикальные трассы — во втором (верхнем) слое над элементами ячеек. Дополнительные вертикальные трассы образуются за счет неиспользованных ячеек. В качестве перемычек используются короткие отрезки высоко* легированных моно- и поликремниевых шин с контактными областями, а также полупроводниковые области активных элементов (рис. 2.3).

Набор параметров и характеристик БМК должен быть достаточно полным для потребителя. К типовым пара­ метрам и характеристикам БМК относятся: технология изготовления; число ячеек на кристалле; структура (набор элементов) ячейки; наименование, типовые электрические параметры, схемы и фрагменты типовых функциональных элементов, формируемых на основе элементов ячеек; пара­ метры элементов ввода—вывода; число периферийных кон­ тактных площадок; требования к источнику питания; указания по расположению и использованию контактных площадок для цепей питания и заземления; число заказных фотошаблонов и конструктивно-технологические ограни­ чения, накладываемые при проектировании и выполнении заключительных технологических операций.

S/О2 Перемычка

Базы

Перемычка Перемычка

в)

Рис. 2.3. Конструкции перемычек:

■— отрезок шины из высоколегированного монокристаллического кремния /1+ или р+-типа; б — отрезок шины из высоколегированного поликристаллического крем­ ния; в — высоколегированная область коллектора биполярного транзистора; г — высоколегированные монокристаллические истоко-стоковые области и поликремниеаый затвор полевого транзистора

§2.2. Библиотеки функциональных элементов

Для упрощения проектирования матричных БИС широко используются библиотеки функциональных элементов. Каж­ дый элемент библиотеки может быть описан различными моделями, применяемыми на различных этапах проекти­ рования БИС.