книги / Микроэлектроника. Гибридные интегральные функциональные устройства

КОНСТРУКТИВНО­ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ИСПОЛНЕНИЯ ГИФУ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАЗНАЧЕНИЯ

И СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПОСТРОЕНИЯ

§1.1. Компоновка ГИФУ цифроаналоговой аппаратуры

Особенности компоновки ГИФУ, предназначенной для создания цифроаналоговой аппаратуры (ЦАА), определяют­ ся: типом ИМС и радиокомпонентов; оптимальным располо­ жением ИМС и радиокомпонентов с учетом их функцио­ нальных связей; необходимым числом выводов для соедине­ ния между функциональными ячейками с учетом их увели­ чения с ростом интеграции; типом многоуровневой коммута­ ционной платы; технологией изготовления жесткого осно­ вания каркаса; требованиями по теплопередаче выделяемой мощности и механическим перегрузкам.

При компоновке ГИФУ используется линейный способ установки ИМС одного конструктивного исполнения, так как он обеспечивает наибольшую плотность компоновки и возможность автоматизированного контроля и сборки узлов.

Шаг установки ИМС зависит от сложности принципиаль­ ной электрической схемы, числа ИМС, температурных ре­ жимов и технологических ограничений на конструкцию сбор­ ки. Как упоминалось, одним из главных требований в на­ стоящее время становится снижение задержек в соедини­ тельных проводниках и переходных сопротивлений между ними. В этом случае наилучшим решением будет правиль­ ное размещение ИМС на функциональной ячейке и, как следствие, ограничение длин соединительных проводников. Наибольший эффект от автоматизированного проектирова­ ния можно получить в ЦАА. Так как унификация и стандар­ тизация элементной базы в цифровых устройствах достигла наивысшей степени, дальнейшее совершенствование ЦАА идет в направлении разработки ряда унифицированных конструкций ГИФУ, обеспечивающих возможность ис­ пользования при их проектировании и изготовлении меха­ низированных процессов.

Конструктивно ГИФУ могут быть с каркасом или без него. Основой для проектирования бескаркасных конструк­ ций являются многоуровневые коммутационные платы, ко­ торые обеспечивают механическую прочность и теплоотвод. В каркасных конструкциях функции несущего элемента выполняет металлическая рама, она же является теплоот­ водом. Конструкции могут иметь одностороннюю, двусто­

роннюю и сдвоенную компо­ новки.

Каркасная односторонняя

центральной зоны рамки с по­ мощью демпфирующего элас­ тичного компаунда крепятся корпусные гибридные ИМС (многокристальные БИС) или бескорпусные микросбор­ ки. Микросборки могут быть выполнены на ситялловых или поликоровых подложках с применением двухслойных полиимидных коммутацион­ ных плат. По внешнему

контуру подложек расположены выводные контактные пло­ щадки. С противоположной стороны по отношению к микро­ сборке и планкам рам через изолирующую прокладку с по­ мощью клея крепится многослойная печатная плата. Сое­ динение таких ГИФУ между собой осуществляется в соста­ ве моноблока с помощью объемного многожильного провода типаМГТФ, ГФ-100М, ФД-100 сечением от0,03 до 0,14 мм2. Герметизация ГИФУ производится при этом в составе блока. Таким образом, моноблок состоит из пакета ячеек, закреп­ ленных в герметичном корпусе пенального, коробчатого или колпачного типа, на одной из сторон которого размещены различного типа электрические разъемы, штыри заземле­ ния и штангель для обеспечения герметичности-

Провода для соединения ГИФУ прошивают в плоскую резиновую матрицу; матрица своей монтажной поверх­ ностью крепится к ячейкам на эластичных петлях (ремеш­ ках), один из концов матрицы присоединяется к той же стенке корпуса блока, на которой смонтированы внешние электрические разъемы.

Применение вскрываемых герметизирующих соединений (фланцевых, паяных), эластичных монтажных матриц, поз­ воляющих раскрыть пакет ячеек веером без нарушения внутриблочных электрических соединений, а также применение планарного метода монтажа бескорпусных ИМС и микро­ сборок и трассировки создают высокую ремонтопригодность аппаратуры, сокращают время определения неисправно­ стей, демонтаж и регулировку по электрическим параметрам некондиционных элементов, а также элементов трассировки на всех ее уровнях.

Однако каркасные конструкции ГИФУ имеют ряд прин­ ципиальных недостатков: не всегда удается обеспечить не­ обходимый температурный режим ИМС и радиокомпонен­ тов; для этого требуются дополнительные устройства тепло­ отвода, которые занимают много места, имеют большую массу и стоимость; при увеличении степени интеграции ГИФУ непропорционально возрастают их массогаба­ ритные характеристики, значительно увеличивается мате­ риалоемкость изделий; монтаж связан с применением трудо­ емких ручных операций с помощью проволочных выводов; неполная автоматизация проектирования.

Для устранения этих недостатков применяют бескаркас­ ную конструкцию ГИФУ на основе анодированного основа­ ния с использованием многослойных полиимидных коммута­ ционных плат (рис. 1.2) или на основе многослойных кера­ мических плат (рис. 1.3). В этом случае применение микро­ сборок возможно, однако в использовании их нет необходи­ мости, так как ИМС и радиокомпоненты устанавливаются на коммутационную плату (достаточно больших размеров — свыше 100 X 100 мм), которая имеет высокую плотность коммутационных элементов (до 5 линий/мм) и межслойных соединений (с шагом менее 2 мм), а также большое число слоев коммутации (более 10). Отметим, что и теплоотвод от установленных на платы компонентов и ИМС осуществляет­ ся преимущественно кондуктивным способом за счет высо­ кой теплопроводности основания плат (рис. 1.4). Такие ГИФУ могут быть установлены в моноблок, который затем герметизируется. Соединения в блоке ГИФУ осуществляют­ ся с помощью гибких шлейфов.

компонента). Знакоместо в этом случае должно предусмат­ ривать возможность установки различного числа элементов в различных сочетаниях. Существенное влияние на техни­ ческие характеристики ЦАА, собираемой из отдельных ИМС и микросборок, оказывает вид конструктивного испол­ нения изделия, который, в свою очередь, определяет и вы­

ды и др.).

Контактные площадки расположены симметрично отно­ сительно центра знакоместа с шагом 0,625 мм.

Так как бескорпусные БИС и СИС могут иметь различ­ ные конструктивно-технологические исполнения (кристалл с гибкими выводами, на полиимидном носителе, на кристаллодержателе), причем в зависимости от этого исполнения меняется и место, которое занимает кристалл, и условия присоединения вывода, то знакоместо, размер и шаг КП

должны быть универсальными, т. е. допускать на данном этапе установку ИМС в любом исполнении. Установка на знакоместо БИС на ленточном носителе, ИМС с проволоч­

контролю и регулировке как пассивной платы, так и уст­ ройства в целом. При проектировании переменной части используется автоматическая система проектирования (АСП), которая решает следующие задачи: размещение эле­ ментов; послойную трассировку сигнальных цепей и цепей питания; получение послойных чертежей и фотооригиналов для коммутационной платы и пр.

Для разводки питания может быть применен метод под­ соединения контактной площадки к заранее проложенной шине с помощью отрезка проводника. Ячейка может иметь несколько шин питания и заземления.

В библиотеке АСП помимо описания компонента должны быть занесены и его возможные номиналы. При работе с библиотекой необходимо указывать название элемента и признак шины питания.

Топологическая конфигурация (топология) МПП за­ висит от конструктивных требований, задающих размеры

сят от размеров сквозного контактного отверстия и доступ­ ности отверстий при выполнении связей между сигнальными слоями. Контактные площадки знакоместа должны быть спроектированы таким образом, чтобы иметь возможность неоднократной замены кристалла или радиокомпонента, легкого доступа зондом для измерения или регулировки,

атакже коррекции схемы.

Впроцессе конструирования ЦАА необходимо иметь

ввиду, что компоновка и разводка монтажа печатных плат

игибридных ИМС, подготовка документации и изготовле­ ние чертежей в настоящее время автоматизированы. Авто­

матизация проектирования развивается в следующих на­ правлениях: автоматический анализ и моделирование схем (принципиальных, логических, функциональных, монтаж­ ных и пр.); техническое проектирование и автоматизация вывода графической информации (техническая документа­ ция, топологический рисунок межсоединений плат и т. п.;.

Наибольший технический эффект достигнут именно в области проектирования ЦАА, чему способствует наивыс­ шая степень унификации и стандартизации ИМС и микро­ сборок в цифровых устройствах. Эффективность алгорит­ мов компоновки зависит как от схемных, так и конструктив­ но-технологических особенностей и ограничений спос°9?5 монтажа, а именно: плотности размещения элементов bHL (с решением вопроса перераспределения теплоты); допусти­ мого числа выходных контактов, места и шага размещения их на коммутационной плате; зон запрета; числа необхо­ димых соединений и т. д.

При автоматизированном проектировании необходимым является изменение формы конструкторской документации, например введение магнитных дисков и барабанов, содер­ жащих результаты расчетов, полученных на ЭВМ.

Существует два подхода к решению задач автоматизации и механизации проектирования и изготовления элементов межсоединений. В первом случае размещение ИМС и мик­ росборок на коммутационных платах, выполнение трас­ сировки, математическое описание топологических фигур трассировки производятся вручную или с применением кодировщика. Изготовление фотошаблонов (фотооригина­ лов) осуществляется с использованием ЭВМ. Во втором случае разрабатывается базовая унифицированная модель коммутационной платы с размещением типового знакоме­ ста под установку ИМС, выходных контактных площадок, зон трассировки, запретных зон и т. п. Размещение ИМС, микросборок и радиокомпонентов на коммутационных пла­

тах, выполнение трассировки, изготовление фотошаблонов, технической документации, контроль готовой продукции производятся с помощью ЭВМ.

При использовании тонкопленочной технологии для изготовления коммутационных плат с высокой разрешаю­ щей способностью предъявляются высокие требования к качеству фотошаблонов (точность совмещения слоев на поле 150 мм составляет ± 5 мкм, точность выполнения ли­ ний ± 1 мкм). При тиражировании фотошаблонов удобно использовать управляемые ЭВМ координатографы (графо­ построители) и фотонаборные установки. На этапе опытного производства при составлении ограниченного числа описа­ ний топологии невысокой сложности при объеме информа­ ции до 42 тыс. точек целесообразно применение полуавто­ матической системы изготовления фотошаблонов: разработ­ ка топологии и кодирование информации вручную, обработ­ ка информации, изготовление фотошаблонов и чертежей с помощью ЭВМ. Используемое оборудование — ЭВМ типа 1020 или 1033, графопостроитель ЭМ-712, координатосъемщик ЭМ-709, координатографы типа ЭМ-703 или КПА — обеспечивает объем работы по оснащению производства не­ обходимыми инструментом и документацией. Система тех­ нического обеспечения в настоящее время достаточна гиб­ ка, например она позволяет отказаться от координатогра­ фов при изготовлении фотошаблонов и использовать более высокопроизводительные фотомонтажные (типа М-2005 или ЭМ-538) и микрофотонаборные (типа ЭМ-549 или ЭМ-559) установки.

Применение на этапе разработки топологии систем ав­ томатизированного проектирования типа «Кулон» позволя­ ет сократить затраты на составление описания топологии, а установка трансляторов дает возможность объединения систем проектирования и изготовления ячеек и блоков МЭА в единое целое.

§1.2. Компоновка СВЧ-устройств МЭА на уровне ГИФУ

Рассматривая современные конструкторско-технологи­ ческие принципы построения МЭА радиотехнического наз­ начения (прежде всего в области СВЧ-диапазона), отметим, что они развиты значительно меньше, нежели в ЦАА. Это объясняется меньшей универсальностью и большим разно­ образием функциональных свойств отдельных узлов схемы (генератор, модулятор, фильтр и пр.).

В этих условиях компоновка СВЧ ГИФУ определяется следующим: большим разнообразием конструкций ИМС и радиоэлементов, устанавливаемых на платы микросборок, входящих в ГИФУ; способами точной и надежной установ­ ки микросборок на металлический поддон ГИФУ с учетом обеспечения хорошей электрической связи поддона с зем­ ляным (экранным) слоем микросборки; видом электриче­ ского соединения микросборок между собой, а также (при необходимости) обеспечения элементов микросборок с зем­ ляным слоем. Как отмечалось, в настоящее время основой для создания коммутационных элементов микроэлектронных устройств СВЧ-диапазона является система микрополосковых линий, выполненных на обеих сторонах подложки микросборки с высокой точностью рисунка и его привязки, причем подложки должны обладать хорошими электрофи­ зическими характеристиками в СВЧ-диапазоне (поликор, сапфир, фторопласт, полиимид и др.). Сложность органи­ зации пересечения микрополосковых линий заставляет при­ бегать к двустороннему расположению микросборок на ос­ новании. Конструирование ГИФУ ведется по принципу непрерывной схемы. Необходимость соблюдения однород­ ности СВЧ-тракта накладывает жесткие требования к вза­ имному расположению выходных микрополосков, сопрягае­ мых микросборок (табл. 1.1). Для соблюдения принципа непрерывности схемы соединений по СВЧ-тракту между микросборками они выполняются с помощью коаксиального перехода (рис. 1.7).

Таблица 1.1