Повышение степени интеграции микроэлектронных устройств является объективным продуктом творческой деятельности человека, направленной на создание аппаратуры с высоким уровнем интеграции функций в конструктивных единицах. Философские аспекты этого процесса представляют интерес для особого исследования и выходят за рамки рассматриваемой дисциплины. Технической целью и результатом творческой деятельности являются конструкции, которые должны удовлетворять ряду требований:

– иметь малые габариты и вес;

– иметь малое число входов/выходов в пределе равное числу связей человека с внешней средой через свои органы чувств (звук, зрение и пр.);

– иметь низкое энергопотребление;

– иметь высокую «жизнеспособность», определяемую как надёжность;

– быть реализуемым на известном уровне развития технологии;

– соответствовать скорости восприятия и удобствами производственного и бытового взаимодействия с конечным пользователем услуг — человеком.

Реализация конструкций устройств из массивов микроэлектронных радиоэлементов в виде микросхем позволяет в той или иной степени удовлетворить перечисленные требования повышением степени интеграции радиоэлементов.

С повышением степени интеграции повышается быстродействие микроэлектронных устройств, благодаря снижению линейных искажений вносимых соединениями. Сокращается число внешних соединений и связей вследствие переноса промежуточных соединений и связей во внутрь интегрированного микроэлектронного устройства при сохранении неизменным их общего числа. Совершенствование существующих и создание новых технологических процессов производства в части повышения разрешающей способности (вплоть до достижения теоретических пределов размеров радиоэлементов) позволяет увеличить плотность компоновки радиоэлементов, сократить массогабаритные показатели микроэлектронных изделий.

Сокращение размеров радиоэлементов, повышение жёсткости механических, качества электрических связей определяет сокращение энергопотребления в расчёте на отдельный радиоэлемент и соответствует повышению надёжности изделий.

Степень интеграции является отражением уровня соответствия технологии производства запросам пользователей продуктов этого производства. Развитие технологий и запросов, приведение их в соответствие является своеобразной формой существования искусственных образований, к которым, в частности, относятся изделия микроэлектроники. Уравновешивание технологии и запросов имеет место лишь на непродолжительном хронологическом интервале.

Как определено в разд. 1, степень интеграции выше третьей соответствует большим интегральным микросхемам (БИС).

По базовым технологиям производства различают два класса БИС:

– полупроводниковые БИС;

– большие гибридные ИС (БГИС).

В повышении степени интеграции полупроводниковых ИМС выделяются три направления:

– совершенствование существующих и создание новых технологических процессов изготовления БИС в части повышения разрешающей способности литографии, использования ионной имплантации и пр. (вплоть до достижения теоретических пределов плотности размещения МДП транзисторов (10⁷–10⁸ см^–2) и биполярных транзисторов (10⁶ см^–2)), использования многослойной металлизации, позволяющей увеличить плотность компоновки элементов;

– увеличение размеров кристалла с типовых размеров 1,5´1,5 мм в 1970–1973 г. до 15´15 мм в 2005 г.;

– выбор или проектирование новых структурно-топологи-ческих конфигураций и схем.

Номенклатурный перечень проектируемых БИС формируется в рамках следующих двух концепций:

– создания БИС широкого диапазона применений с функциональной избыточностью (микропроцессорные БИС, микросхемы памяти, преобразователи, программируемые матрицы);

– использования коммутируемых (без металлизации) и программируемых матриц логических ячеек (базовые матричные кристаллы — БМК).

Каждая из названных концепций имеет свои позитивные и ограничительные черты, которые определяются мировоззренческим соотношением свойств частного и общего, специализированного и универсального. Применение технологии БМК позволяет при определённых условиях снизить сроки и затраты на проектирование полупроводниковых БИС.

В ГИМС, как и в полупроводниковых ИС, высокая степень интеграции обеспечивается объединением на одной подложке элементов и компонентов, которые, в свою очередь, исполняются по различным технологиям, включая кристаллы полупроводниковых БИС. Это позволяет обеспечить широкий диапазон электрических параметров и решать сложные инженерные задачи по созданию микроэлектронной аппаратуры.

Технология БГИС по существу является развитием методов многослойного «печатного» монтажа. Конструкции современных БГИС содержат совокупность кристаллов бескорпусных ИС и БИС, объединенных проводной коммутационной разводкой (коммутационной платой) в функциональный комплекс, называемый микросборкой.

Проблемы проектирования БИС

Повышение степени интеграции ИМС естественным образом сопровождается и порождает ограничения и проблемы разнообразного свойства, в ряду которых выделяются следующие [1, 3, 4, 9, 10, 12, 14]:

– уменьшения геометрических размеров элементов ИМС;

– увеличения размеров конструкций, реализуемых методами групповой технологии производства (кристаллов, плат);

– совершенствования элементной базы устройств;

– совершенствования структурной организации устройств;

– совершенствования конструкций корпусов;

– совершенствования средств проектирования, сопровождения проектов в производстве и эксплуатации.

Возможности уменьшения геометрических размеров радиоэлементов ИМС определяются, с одной стороны, необходимыми электрическими параметрами, а с другой — разрешающей способностью технологических процессов и оборудования. Технические методы и оборудование производства изделий микроэлектроники совершенствуются, приближая минимальные геометрические размеры элементов к предельным значениям, сравнимым с длиной световой волны. Дальнейшее повышение степени интеграции может достигаться для принятой технологии увеличением размеров кристаллов и плат, развитием конструкций объёмного исполнения. Реализация технологических процессов производства БИС становится доступной исключительно автоматическому и автоматизированному оборудованию.

Увеличение размеров конструкций кристаллов и плат сопровождается повышением процента бракованных изделий в процессе производства. Обеспечение приемлемого процента выхода годных изделий при увеличении размеров конструкций кристаллов и плат является достаточно острой проблемой их производства. Требования к качеству технологического процесса характеризуются выражением [10]

P = exp (–B∙ d ∙ S),                              (5.1)

где P — процент выхода годных изделий;

В — коэффициент производственной «поражаемости» изделий;

d — плотность на единице площади изделия;

S — площадь, занимаемая изделием.

Согласно выражению (5.1), процент Р выхода годных БИС уменьшается с увеличением площади кристалла или платы. Эту зависимость можно улучшить, совершенствованием качества технологии путем уменьшения коэффициента «поражаемости» В и плотности дефектов d.

Коэффициент производственной «поражаемости» БИС рассматривается как отношение части площади, дефект на которой выводит изделие из строя, к полной площади, занимаемой БИС. В свою очередь, плотность дефектов есть число поражающих дефектов на единице площади пластины.

Высокая плотность упаковки и увеличение числа элементов на кристалле повышают энергопотребление и тепловыделение быстродействующих микроэлектронных устройств и обуславливают повышение удельной мощности рассеяния до (10–20) Вт/см³. Отвод таких мощностей требует проектирования специальных конструкций корпусов с принудительным охлаждением.

Высокие быстродействие схем (менее 1 мкс) и энергопотребление приводят к повышению скорости переключения тока до значений dI/dt ≈ (10–20)∙10⁶ А/с, вследствие чего даже незначительные индуктивности монтажа вызывают существенные колебания напряжения питания и обостряют проблему влияния паразитных связей и помех.

Острота названных проблем снижается применением элементной базы адекватной уровню проблем. Наиболее эффективные по энергии переключения логические элементы, исполненные по биполярной и полевой технологии рассмотрены в разд. 2, 3 пособия. В основу новых схемотехнических решений по элементной базе закладывается снижение рабочих потенциалов логических уровней до единиц термического потенциала и рабочих токов до единиц микроампер. Структуры и решения, направленные на сокращение потерь рабочей площади кристалла, обсуждались в подразд. 2.20.

Совершенствование структурной организации устройств высокой степени интеграции осуществляется в направлениях:

– разбиения изделия на функционально полные конструктивные модули с целью снижения потерь от обработки бракованных изделий;

– разбиения изделия на функционально полные конструктивные модули для покрытия спроса на рынке этих функциональных изделий;

– поиска и проектирования новых структурных образований для достижения более совершенных функциональных и параметрических качеств устройств.

Повышение степени интеграции, сопровождаемое увеличением габаритов кристаллов и плат, обуславливает увеличение размеров установочной (монтажной) зоны корпусов ИМС и, преимущественно, сопровождается увеличением числа выводов для внешних соединений изделий. Названные факторы требуют, наряду с решением задач проектирования кристаллов и плат, решения задачи проектирования новых конструкций корпусов (увеличенных размеров при повышенном числе выводов). Если корпуса микросхем первой, второй степени интеграции имели 12–40 выводов для внешних подключений, то корпуса современных микропроцессоров имеют более 60–200 выводов и являются многослойными коммутационными платами, оборудованными выводами внешних подключений. Параллельно решаются проблемы совершенствования структурной организации устройств в части сокращения числа выводов внешних связей использованием ресурсов последовательной передачи информации.

Следствием усложнения функций, выполняемых БИС, и увеличения числа выводов является усложнение и повышение трудоёмкости контроля функционирования и проведения испытаний БИС. Функциональный контроль БИС без применения специализированного автоматического оборудования становится невозможным.

Повышение степени интеграции существенно повышает трудозатраты по выполнению проектно-конструкторских работ, составной частью которых является проектирование топологии микросхем. Согласно [4] трудоемкость ручного проектирования БИС может быть приближенно оценена следующими формулами: 

Та = 70 ∙ N ^0,55                                                  (5.2 a)

для аналоговых схем,

Тd = 45 ∙ N ^0,55                              (5.2 б)

для цифровых схем.

В выражениях (5.1) N есть число элементов БИС, а Тi — трудоемкость проектирования, в часах. При N = 10000 время проектирования составляет около 4500 часов при годовом ресурсе рабочего времени одного проектировщика 2200 часов. К приведенной оценке следует добавить проблему обнаружения и исправления ошибок проектирования, число которых повышается с увеличением числа компонуемых элементов.

Применение средств систем автоматизированного проектирования (САПР) БИС снижает трудоемкость проектирования до значения, определяемого по формуле [5]

Т = 22 ∙ N ^0,22.                          (5.2 в)

Уже при четвёртой степени интеграции рост ошибок, вносимых при ручном проектировании, и затрат времени на их обнаружение и исправление делает процесс достижения положительного результата проектирования проблематичным.

Проектирование БИС без применения САПР становится практически невозможным, как по срокам исполнения и внедрения проекта в приемлемые сроки, так и самому факту экономически оправданного достижения результата.

Применение и совершенствование средств автоматизации проектирования на разных этапах этого процесса, средств автоматизированного и автоматического сопровождения проектов в производстве и эксплуатации изделий повышенной степени интеграции является основной составляющей технического обеспечения проектов проектирования БИС.