автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Гексагональная система координат в конструкторско-технологическом проектировании электронных устройств

На правах рукописи

ЕФИМОВ АНДРЕЙ МИХАЙЛОВИЧ

ГЕКСАГОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА КООРДИНАТ В КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ

УСТРОЙСТВ

Специальность 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2005

Диссертация выполнена на кафедре конструирования и производства микроэлектронной аппаратуры Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Саиткулов Владимир Гельманович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Морозов Олег Геннадьевич;

кандидат технических наук, доцент Кудрявцев Лев Николаевич.

Ведущая организация:

ОАО «Завод Элекон», г. Казань.

Защита состоится « 3 » 2005 г. ъ^О ~~

часов на

диссертационном совете Д 212.079.04 при Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева в зале заседаний ученого совета по адресу: 420111, Казань, ул. Карла Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.

Автореферат разослан « » ОлПл^С&КХ. 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

В.А. Козлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Одним из важнейших направлений совершенствования систем автоматизированного проектирования (САПР) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) с целью поиска оптимизации технических решений, является изучение, применение и внедрение различных систем координат в проектировании РЭА, где по сравнению с традиционными методами использования декартовой ортогональной и полярной системами координат на плоскости используется гексагональная система.

Ортогональная система координат (ОСК) используется повсеместно при описании двумерных и проекций трехмерных объектов на плоскости, топологических чертежей, послойных технологических операций и иной технической документации при проектировании микросхем, микросборок, коммуникационных плат, компонентов и элементов различной электронной аппаратуры. Современная компьютерная техника позволяет получать высокоточное описание плоских объектов произвольной формы и, что более существенно, управлять процессами обработки таких объектов с высокой заданной точностью. Однако с точки зрения общей более плотной компоновки элементов плоского объекта, а также для сокращения общей длины коммуникационных (плоских и узких) проводников ОСК не является наилучшей.

Общей тенденцией развития микроминиатюризации является: уменьшение размеров элементов; сокращение площади на межэлементную и межкомпонентную коммуникацию, т.е. повышение эффективности использования площади плат; увеличение количества связей между элементами; более плотная компоновка элементов с учетом площади зоны окружающей элементы; уменьшение общей длины коммуникационных проводников.

Данный ряд проблем в определенной степени решает гексагональная система координат (ГСК). Наименее изученным аспектом здесь является условие физической реализуемости метода проектирования радиоэлектронной аппаратуры с применением ГСК. В связи с этим, важными составными частями в решение проблемы входят исследования по выяснению общих закономерностей проектирования коммуникационных плат, пленочных элементов (ПЭ) и компонентов, способов компоновки электронных устройств, межэлементной и межкомпонентной коммуникации нетрадиционным методом, исследования различных методов и способов анализа и сравнения, возможности совмещения ОСК и ГСК.

Целью работы является повышение компактности и коммуникационных возможностей комплексов элементов электронных устройств (ЭУ) с применением ГСК.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: -проведен сравнительный анализ характеристик координатных систем на плоскости при проектировании элементов и компонентов ЭУ;

- проведены исследования по совместному использованию ОСК и ГСК - совмещение координатных точек этих систем и трансформации форм размеров двумерных матричных структур из одной системы' ~ ' етодика

определения оценки компоновки матричных структур в ГСК; -разработаны модели построения ПЭ МЭА в ГСК, разработан метод определения отклонений геометрических характеристик ПЭ в ГСК; -спроектированы функциональные устройства (ФУ) в ОСК и ГСК при одинаковой технологии изготовления;

-разработан оптимальный ряд типоразмеров компактных цилиндрических электрических соединителей (КЦЭС) с контактными парами с предельно плотным расположением контактов.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем: -разработан метод проектирования МЭА в ГСК с учетом влияния технологических факторов;

-представлен метод совместного использования ОСК и ГСК при формировании комплексов ПЭ и объемных компонентов в ограниченной области объекта проектирования;

-предложены методы трансформации элементов и их комплексов из одной СК в другую;

-разработаны модели построения ФУ МЭА в ГСК;

- предложен новый способ построения типовых рядов малогабаритных КЦЭС в ГСК.

Практическая ценность работы.

-Показаны возможности и особенности проектирования коммуникационных плат, пленочных и полупроводниковых элементов МЭА с применением ГСК. -Разработан метод совмещения координатных точек систем и трансформации форм размеров двумерных матричных структур из одной координатной системы в другую, который позволяет использовать компоненты ОСК на гексагональной координатной сетке с определенной погрешностью базировки. -Представлены модели автоматизированной ориентации и построения фигур из конструктивных элементов ГСК.

-Основные результаты исследований нашли отражение в научно-исследовательском и учебном процессе КГТУ им. А. Н. Туполева (КАИ) и рекомендованы Учебно-Методическим Объединением в области проектирования и технологии электронных средств при подготовке студентов по направлению «Проектирование и технология электронных средств» (№551100) и специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» (№6543). -Результаты работы, реализованные в виде способа проектирования типовых рядов КЦЭС с применением ГСК с оптимальным числом и сочетанием контактов, использовались при выполнении НИР в ЗАО «Завод Элекон».

Методы исследования. Для решения обозначенных задач в работе использовались методы эмпирического исследования. Экспериментальные методы использовались с целью определения плотностей электрических полей в ПЭ различной конфигурации.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается выбором адекватных цели и задачам методов исследований, их корректным использованием,

1 ** , "> . « ;

' -»• 9* Ю :

совпадением теоретических результатов с данными экспериментов и результатами исследований других авторов. Обоснованность подтверждается обсуждением основных диссертационных результатов на научных конференциях и семинарах различных уровней.

Апробация работы. Основные результаты и отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на: П научно-технической конференции студентов и аспирантов «Памяти В.И. Поповкина». Тема доклада «Трехосная шестидесятиградусная система коорди-нат и ее применение при проектировании электронной аппаратуры». (Казань. КГТУ (КАИ). 20 марта 2001 г.); I форуме молодых ученых и специалистов республики Татарстан. Тема доклада «Приме-I нение разных систем координат на различных этапах проектирования микро-

сборок». (Казань. НКЦ Казань. 11-12 декабря 2001 г.); Итоговой конференции Республиканского конкурса научных работ среди студентов и аспирантов имени Н.И.Лобачевского. Тема доклада «Конструктивное оформление элементов полупроводниковой технологии с применением трехосной системы коорднат». (Казань. КГУ (УНИКС). 1-2 марта 2002 г.).

Публикации. Содержащиеся в диссертации сведения нашли отражения в 19 научных трудах, в том числе 16 научных статьях, 3 тезисах докладов, с участием в научных конференциях. Автор имеет 7 единоличных публикаций. Личным вкладом в соавторские работы является анализ имеющихся вариантов и подходов по проектированию МЭА, расчетные данные и эксперименты, необходимые для соответствующих анализов [1-4;6;7;15;16;18;19], по заказу предприятия были определены задачи, по которым был разработан способ формирования типоразмеров электрических соединителей [5;17].

Практическое использование результатов диссертации. Материалы диссертационных исследований использованы в научно-исследовательском и учебном процессе КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ) и рекомендованы Учебно-Методическим Объединением в области проектирования и технологии электронных средств при подготовке студентов по направлению «Проектирование и технология электронных средств» (№551100) и специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» (№6543). Результаты работы, реализованные в виде способа проектирования типовых рядов КЦЭС с применением ГСК с оптимальным числом и сочетанием контактов, использовались при выполнении НИР в ЗАО «Завод Элекон».

Основные положения, выносимые на защиту: Ь -Сравнительный анализ ОСК и ГСК при проектировании ПЭ и компонентов

электронных устройств (ЭУ).

-Особенности проектирования ПЭ при совместном применении ОСК и ГСК. -Применение ГСК при проектировании фрагментов ФУ МЭА. -Применение ГСК при проектировании малогабаритных КЦЭС.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии. Содержание работы изложено на 139 страницах машинописного текста, иллюстрируется 61 рисунками и 16 таблицами, выполненными на 65 страницах. Библиография содержит 90 наименований литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели исследований и решаемые задачи.

В первой главе затронуты особенности проектирования конструкции элементов ЭУ с точки зрения плотности компоновки. Необходимо отметить, что особенности проектирования СВЧ-техники не были затронуты. Делается основной упор на анализ применения ГСК в проектировании электронной аппаратуры (ЭА) с наиболее часто используемой - ОСК.

Описание проекций трехмерных объектов на плоскости повсеместно представляется в двуосной декартовой ОСК. Такая система координат используется и при оформлении топологических чертежей, послойных технологических операций и другой технической документации при проектировании микросборок, коммуникационных плат, элементов и компонентов современной ЭА. Однако в природе практически не существует объектов и, тем более, живых организмов, «построенных» по прямоугольной декартовой системе. Преобладают сложные криволинейные фигуры и их проекции на плоскости, причем на миниатюрном уровне эти фигуры и их проекции описываются фрактальной геометрией, которая трудно вписывается в ОСК.

Имеются 2 пути проектирования ЭА; первый - подведение конструкции ЭА под управляемые ею объекты, второй - подведение конструкции управляемых объектов под унифицированную и стандартизированную конструкцию ЭА. Естественно второй путь наиболее тщательно рассмотрен, но нельзя отказываться от описания ЭУ в других координатных системах, хотя бы для описания отдельных компонентов и элементов ЭУ и даже их фрагментов в общем ЭУ, если в таких координатных системах лучше отображаются заданные характеристики объектов или их фрагментов.

Исследования, проведенные по применению СК в проектировании элементов ЭУ с точки зрения общей более плотной компоновки плоского объекта, а также для сокращения общей длины коммуникационных проводников показали, что ОСК не является наилучшей.

В ГСК 3 оси Ох, Оу, Ог расположены под 60° по отношению друг к другу в плоскости. Координатная сетка ГСК представляет собой набор ячеек в виде равносторонних треугольников. Конструктивным элементом ГСК является треугольник, сторона которого равна шагу координатной сетки 5 (рис.1). По сравнительным характеристикам ГСК имеет преимущества перед ОСК в следующем:

-одинаковое расстояние произвольной точки до других точек, окружающих её (т.О и т.:а'уект)\

- количество связей между элементами от т.0, в ОСК - 4, в ГСК - 6; -с использованием ГСК, общая длина коммуникации сокращается, расстояние от т а до т е, в обход т 0, в ОСК составляет 45, в ГСК - 35. Сокращение общей длины проводников уменьшает площадь платы, паразитные связи между проводниками и повышает быстродействие аппаратуры при обработке информации.

Минимальная ширина изоляционной зоны окружающей элемент определяется техническими условиями и должна быть одинаковой по' всем границам скомпонованных вместе элементов. Общая граница между элементами при определенной площади зависит от соотношения периметра контура к его площади - от формы элемента. Принимая одиночный элемент, то наименьшее отношение периметра к площади будет у круглого элемента. Если формировать комплекс одинаковых элементов по ОСК (рис.2, а), то между элементами образуются пустующие зоны, требующие почти трети площади платы по сравнению с площадью элементов. В ОСК круглая форма элементов применяется редко, т.к. она уступает в компактности квадратной форме. При компоновке круглых элементов в ГСК (рис.2,б), площадь окружающей зоны сокращается, но оптимальное решение заключается в применении формы элементов в виде правильного шестиугольника (рис.2,в).

Рис.2. Плотность компоновки элементов

При проектировании субминиатюрных элементов схем коммуникационные возможности в ГСК возрастают. Конструктивный элемент в ОСК - квадрат, имеющий в 2 раза больше площадь по сравнению с треугольником в ГСК, 8г;=Л'2, Эд- 0,433*5 , характеризуется 4-мя внешними контактами, но каждый контакт соединен только с 2-мя линиями связи (л.с), что дает всего 8 л.с. с внешней схемой. У треугольника в ГСК - 3 контакта и 12 л.с. Несмотря на меньшее число контактов для внешних связей в ГСК по сравнению с любым вариантом конст-

руктивного решения в ОСК, угловая система характеризуется значительно большим числом межэлементных связей. При условии равенства площадей элементов(Яп= Эд) в обеих системах, необходимо чтобы 5/г=1,52*5а.

Защита объекта от окружающей среды требует максимального сокращения его поверхности по отношению к объему. С этой точки зрения все плоские элементы должны быть круглой формы. Второй фактор - повышение необходимых связей с внешней средой - требует, наоборот увеличения поверхности у объемного объекта или длины периметра у плоского объекта, так как передача информации может происходить только через границы объекта, с этой точки зрения необходимо увеличивать периметр по отношению к площади. Удовлетворяя этим двум факторам, наиболее подходящей фигурой в данном случае будет правильный шестиугольник, состоящий из 6 равносторонних треугольников, которые описываются именно в ГСК. При проектировании конкретных элементов форму контура элемента, т.е. выбор той или иной СК для описания объектов и их взаимосвязь следует устанавливать с обязательным учетом обоих противоположно направленных факторов.

ГСК, наряду с ОСК, позволяет расширить возможности проектирования элементов МЭА, что показывает актуальность исследований.

Вторая глава посвящена наиболее сложному вопросу - исследования совместного использования СК при проектировании ЭУ. Рассмотрено совмещение координатных точек систем, трансформация форм и размеров элементов матричных структур при переходе от ОСК к ГСК. Далее исследованы особенности проектирования пассивных ПЭ в ГСК.

Формальный переход координат от ГСК к ОСК приведен в таблице. На рис.1 обозначены точки (1 и 2) и их координаты в шагах 5.__

у\х' х' -х'

У' х = (пх+0,5*пу)*-у; У = 0,866*пу*$. х — (-пх+0,5*п„)*$; у = 0,866*пу*5.

-у' х = (пх-0,5*пу)*5; у = -0,866*4**. х = (-пх-0,5*пу)**; у = -0,866*Пу*5.

Одним из ограничений применения ГСК является ее неудобство перехода от обычных квадратных ячеек ортогональной системы, из которых формируются элементы, к необычным треугольным и ромбическим ячейкам для этой же цели Более сложной проблемой является совместимость координатных точек ОСК и ГСК.

При координации точек в ГСК имеет место избыточность вариантов координации одной и той же точки. Так как каждая точка (при заданном шаге х по всем 3-м координатным осям) находится в пересечении всех 3-х координатных линий. Совмещение горизонтальных линий и, соответственно координатных точек по этим горизонталям у обеих систем имеет место (при отклонении в долях шага у в пределах 7%) через 6-7 шагов ОСК или 7-8 шагов ГСК в вертикальном направлении [4].

Далее изложены варианта трансформации компонентов и матричных структур ОСК в ГСК, которые не только добавляют третий набор параллельных межэлементных связей, но и могут радикально деформировать регулярную матричную структуру. Оценивается повышение плотности компоновки, как самих матричных структур, так и контактных зон окружающих матрицы.

Рис.3. Трансформация матричных структур

При трансформации матричной структуры (рис.3) оказывается, что: межэлементные расстояния не изменились; благодаря более плотной упаковке элементов матрицы общая площадь контура матрицы сократилась на 13,4% за счет более плотного размещения проводников [2] [6] [15]. Основной компоновочный параметр, который интересует разработчика уже на этапе эскизного проектирования, является ожидаемое значение отношения полезной площади вп, занимаемой непосредственно элементами к общей площади матрицы

1

16ЛГ Ь

16ЛГ2

я- я,(2Лг-1) а а1

■ заданный размер элемента, Ъ ■

ширина изоляционной

где N - номер волны, а -зоны.

Принцип формирования элементов схем пленочной и п/п технологии в ЭА заключается в перекрытии друг друга определенным образом пленочных фрагментов элементов схем различной конфигурации, включающие проводящие, изоляционные и п/п материалы. Электрофизические свойства материалов этих фрагментов считаются одинаковыми по всей плоскости элемента, исключая краевые зоны контура фрагмента. Следовательно, определяющими характеристиками является в основном форма и размер фрагмента. К пассивным пленочным элементам относятся резисторы конденсаторы и катушки индуктивности, выполненные по тонкопленочной и толстопленочной технологии.

а б в

Рис.4. Пассивные ПЭ

На рис.4 приведены особенности проектирования пассивных ПЭ. На рис.4,а - резистор, у которого сопротивление определяется Я=ро(1/Ь+ 2К'ф), где 0,189, рн - удельное поверхностное сопротивление. На рис.4,б - пленочный конденсатор, На рис.4,в - особенности топологии межслойных соединений[10][11]. При интегральной технологии изготовления ПЭ МЭА имеет место неизбеж-

ная дисперсия всех размеров фрагментов плоских элементов относительно их математических оядаданий, которые при отработанной технологии доводятся до совпадения с заданными номинальными значениями. Применяя групповые методы изготовления ПЭ по всей площади платы характерны сильные положительные корреляционные связи между отклонениями геометрических параметров элементов, которые связаны с электрическими свойствами. Это определяет одинаковое отклонение размеров всех фрагментов элементов, которые изготавливаются одновременно.

Рис.5. Отклонения геометрических характеристик ПЭ в ГСК

На рис.5 представлен ПЭ в виде ромба. При отклонении геометрических размеров на ±Д, сторона Ь составит: Ь=1НИ'НИ"-, <11-Д^бО0; Л'-Д^ЗО0; ¿=/±2,31 Д. Тогда периметр и площадь увеличенного ромба будут иметь выражения соответственно: Р/=41=4/±9,238Д; X, '~0,866/2± 4/Д±4,619Д2.

При проектировании ПЭ и их комплексов на базе современной групповой технологии необходимо учитывать её особенности и, более того, использовать искажения и смещения контуров фрагментов ПЭ для обеспечения воспроизводимости электрических параметров элементов даже при значительных отклонениях.

Одной из основных проблем формирования надежных пленочных контактных соединений является неизбежное относительное смещение контактных площадок при изготовлении их на разных этапах технологических операций. Обычно контактные площадки формируются одновременно с пленочными проводниками в соответствующем слое.

Рис.6. Погрешность базировки в ГСК

Влияние погрешностей базировки контактных площадок между слоями разводки пленочных проводников на качество межслойных соединений отражается на направлении отклонения относительно осей координат. На основании выполненных расчетов следует, что погрешность базировки, получаемая при

смещении контактных площадок вдоль осей координат ГСК, оказывается меньше на 13% (рис.б.а, в), чем то же смещение, но неориентируемое на направление осей (рис.6.6, г) [16].

а б в

Рис.7. Матричный способ разводки проводников

В завершении особенностей построения пассивных элементов в ГСК были представлены матричные способы разводки проводников высокоинтегрирован-ных кристаллов БИС [12] [18]. Если на плате микросборки или печатной плате электронного устройства используется исключительно ОСК, то пленочные проводники могут размещаться только по взаимно ортогональным осям координат. При разводке проводников от шлейфа в 3-х возможных направлениях (вверх, вниз и вправо) не возникает сложности разветвить общий шлейф по этим 3-м направлениям, используя тот же слой разводки. Однако при этом порядок расположения проводников в каждом из разветвленных шлейфов относительно друг друга остается неизменным. В ГСК возможность разветвления шлейфа увеличивается - по 5 направлениям, исключая, разумеется, исходное.

В третьей главе рассмотрены возможности формирования типовых элементов п/п ИС в ГСК. Приведены результаты расчетов типовых фрагментов п/п ИС спроектированных в ОСК и ГСК, при использовании одинаковой технологии изготовления. Исследования показывают, что происходит увеличение возможности размещения элементов на платах, плотность компоновки, количество связей позволяющих осуществить контакт с внешними элементами, происходит сокращение длины проводников.

Транзистор

а б в г

Рис.8 Полупроводниковые транзисторы и резисторы в ОСК и ГСК

На рис.8 приведены п/п транзисторы и резисторы, спроектированные в ОСК и ГСК. Площади транзисторов соответственно: £>а=1696 мкм , 3Д=1436 мкм2. Был выбран фрагмент схемы РЭА в интегральном исполнении (рис.9). Спроектированный фрагмент схемы по ОСК имеет прямоугольную форму площадью

8=23744 мкм2. Сформированная фигура из равносторонних треугольников имеет пятиугольную форму площадью §=24800 мкм2. Увеличение общей платы составило около 4,5%, но сокращение коммуникации произошло на 30% [11].

а б

Рис 9 Фрагмент ФУ в интегральном исполнении в ОСК и ГСК

Далее спроектирован фрагмент ФУ п/п технологии на МДП-структурах. Транзистор спроектированный в ОСК имеет площадь 1334 мкм2, при использовании технологии с заданными допусками на изготовление. Транзистор в ОСК имеет 8 межэлементных связей, в ГСК - 14. По расчетам транзистор, спроектированный в ГСК в виде ромба по допускам одинаковой технологии имеет площадь 8=1415 мкм2. Эта фигура уступает в площади по сравнению с классической схемой построения. Усечение транзистора приводит к сокращению площади до 8~1248 мкм2. Хотя преимущества в сокращении площади незначительные, но данный транзистор имеет более гибкую компоновку и большее число межэлементных связей.

а б

Рис 10 МДП-транзисторы в ОСК и ГСК

При общей компоновке транзисторов в единое ФУ, ГСК дает больше преимуществ, чем ОСК. Возможность размещения элемента в едином пространстве платы повышается с 4 до 6, количество направлений трассировки возрастает с 4 до 6, количество возможных межэлементных связей у каждого элемента увеличивается с 8 до 14. Площадь фрагмента ФУ спроектированного в ОСК составляет 9831 мкм2. Придерживаясь тех же требований по технологии изготовления выбранного устройства, на рис.11,6 представлен вариант конструкции фрагмента схемы в «ГСК» исполнении. В итоге полученный фрагмент имеет общую площадь с учетом выхода проводников за пределы компоновки лишь

элементов схемы 7946 мкм2. Это на 20 % меньше по площади фрагмента, спроектированного в ОСК. Хотя это одни не из лучших вариантов компоновки, но можно сделать придти к выводу, что применение ГСК позволяет повысить плотность компоновки и сократить площадь платы, занимаемую элементами схемы. Имеется недостаток в увеличении длины проводников, который может быть устранен за счет достижения более оптимального расположения элементов схем [14].

а 6

Рис 11. Фрагмент ФУ на МДП-структурах в ОСК и ГСК

Далее в этой же главе рассмотрены особенности применения компонентов МЭА с ГСК. Основными компонентами электронных устройств, которые монтируются на коммуникационных платах, являются п/п кристаллы со сформированными в них электронными ФУ, часто весьма высокой сложности. После изготовления их на общей п/п пластине производится скрайбирование по границам ФУ. Затем пластина разламывается по линиям реза. Другая технология формирования кристаллов осуществляется с помощью лазера (рис.12).

о е ж з и

Рис.12. Варианты форм п/п кристаллов

Для трансформации разводки с кристалла на плату используются переходные рамки различной конструкции, представляющие собой изоляционную пленку с пленочными проводниками. Одним из важнейших обстоятельств является то, чтобы соблюдалось совпадение числа контактных площадок, как на кристалле ИС, так и на переходной рамке. В данном случае необходимо учитывать и придерживаться условия: п/4=т/к, где п - число контактов на кристалле ИС, вписываемого в ОСК, т - число контактов на переходной рамке, вписываемой в гексагональную сетку, к - число сторон фигуры переходной рамки, (треугольный контур - к~Ъ, ромб, параллелограмм или трапеция - к=4, шестиуголь-

ник - к=6, и др. фигуры вписываемые в гексагональную сетку) (рис.13).

Рис.13. Переходные рамки для трансформации разводки с кристалла на плату

Здесь же учтены возможности применения стандартных компонентов МЭА современной элементной базы в ГСК. Применение ГСК на коммуникационных платах обеспечивает определенные преимущества, однако использование на них компонентов, которые помещены в стандартные корпуса со строго фиксированным расположением внешних выводов, затрудняет применение таких готовых нормализованных компонентов. Подавляющее большинство ИС выпускается в прямоугольных корпусах, по 2-м сторонам которых, (в ряде вариантов по всем сторонам и даже иногда по всей нижней стороне корпуса) располагаются контактные площадки с фиксированным шагом (обычно ¿=2,5 мм). В корпусах с перпендикулярным к плоскости корпуса направлением проволочных или ленточных выводов ортогональная сетка с шагом ^ должна полностью соответствовать такой же сетке на коммуникационной плате. Но это условие выполняется только для 1-го горизонтального ряда выводов на корпусе (рис.14).

Общее условие совпадения горизонтальных рядов на плате с ГСК и на корпусе: /«=2*0,866ш, где п - число шагов 5 между горизонтальными рядами на корпусе, т - число шагов, между горизонтальными линиями в координатной сетке платы.

Рис.14. Использование стандартных компонентов в ГСК

Приведены возможности технологического резервирования компонентов на платах с ГСК. Изготовление ИС, особенно высокой сложности, на п/п подложках сопровождается проявлением дефектов так называемых проколов, в результате чего ФУ на общем кристалле, в котором проявился такой дефект, должен быть отбракован, и, следовательно, подвергается отбраковке весь кристалл, несмотря на то, что остальные ФУ оказались работоспособными. Поэтому часто применяется технологическое резервирование ФУ, которое заключается в том, что на кристалле наряду с формированием N ФУ, без которых невозможна работа данного ЭУ, предусматривается К резервных таких же ФУ. Поэтому, если

после скрайбирования подложки, будет обнаружено до К дефектных ФУ на кристалле, то останется достаточно N ФУ, которые необходимо включить в устройство, изменяя коммутацию либо на самом кристалле, либо на коммуникационной плате. Однако и то, и другое технологически крайне неудобно, дорого и даже часто невозможно, так как изменять фиксированную разводку, как на кристалле, так и на плате очень сложно. Вероятности выхода годных кристаллов при формировании на них нескольких ФУ, каждый из которых характеризуется своей вероятностью выхода годных р, а возникновение дефекта в каждом из ФУ определяется случайным попаданием его на тот или иной ФУ, производится по выражениям: р^=р(2-р), - для 2-х ФУ, рг=рг(3-2р), - для 3-х ФУ, ръ=р5(6-5р), - для 6 ФУ (рис. 15).

АЧЧЧЧ,

а б в

Рис.15. Возможности технологического резервирования

В четвертой главе рассмотрено применение ГСК при проектировании малогабаритных КЦЭС. Разработан оптимальный ряд типоразмеров соединителей с контактными парами с предельно плотным расположением контактов. Приведены рекомендации по применению ряда типоразмеров при проектировании конкурентоспособных соединителей.

Приведена оценка удельной компактности (УК) ЦЭС с контактами одинаковой токовой нагрузкой (ТН). Коэффициент УК для любых серий с различным шагом $ будет оцениваться по выражению: К=-пХ)1о/4Ы1, где До - диаметр сечения изолятора, на котором размещены контакты, выраженный в шагах 5 конкретного типоразмера (любого, а не только из компактного ряда типоразмеров, но с контактами одинакового диаметра); - число контактов в изоляторе данного типоразмера.

а о в

Рис.16. Расположение выводов в сечении КЦЭС

Далее предложено 2 способа формирования расположения контактов с разной ТН в ЦЭС с использованием ГСК: 1 - применение 2-х сеток с разными, но неизменными шагами по осям - он менее эффективен по компактности ЦЭС (рис. 16,а); у 2-го - при компоновке контактов с большой ТН используется пере-

менный шаг по осям координат, обеспечивающий наибольшую компактность ЦЭС с разной ТН на контакт (рис. 16,6). Если используются ЦЭС с разной ТН на контакт, то для 2-х значений ТН на контакт, т.е. для 2-х разных значений межцентровых расстояний 5/ (малые контакты) и (большие контакты) необходимо иметь СК с двойным шагом от общего центра. На рис. 16,а на одном из 6 одинаковых секторов ГСК показано распределение 2-х видов контактов с одинаковыми межцентровыми расстояниями у каждого вида контактов. Число шагов в каждой СК определяется из условия: К> 8/2/0,866(82- 81).

Объективная оценка плотности компоновки по всему изолятору производится в виде коэффициента компактности, в виде отношения площади сечения изолятора, в котором размещены контакты с разной ТН, к сумме нормированных площадей всех контактов (нормирование производится относительно межцент-

п -

рового расстояния у каждого размера контактной пары): К=Р0/'^ ИД,, где п -

число групп контактов с разной ТН, т.е. с разными значениями 5,.

При наличии 2-х контактов с разной ТН от центра изолятора следует начинать размещение контактов с малой ТН, т.е. с минимальным значением Б;, далее размещать контакты с большим расстоянием между центрами. Размещение следует производить по ГСК до заданного числа малых контактов. Для полной симметрии целесообразно заполнять по традиционному ряду (7. 13,19 и т.д.).

Анализ нормализованных типоразмеров с группами контактов с разной ТН показал, что принципы компоновки контактов весьма разнообразны. При примерно равном числе слаботочных и сильноточных контактов они сосредоточены группами в пределах окружности изолятора различными способами. Однако почти во всех случаях между контактами оказываются участки изоляционной зоны, недостаточно плотно заполненные контактами. При контактах 2-х размеров приходится оперировать 3-мя межконтактными расстояниями: 5/ - между малыми контактами; -между большими контактами и 8 ц- между контактами с разной ТН.

В результате анализа имеющихся вариантов КЦЭС доказано, что большие контакты должны находиться в окружении малых со вполне допустимым расстоянием между центрами контактов. Каждый большой контакт должен быть окружен 6-ю малыми контактами по всем 6 направлениям координатной сетки. Для того чтобы полностью использовать площадь изолятора, необходимо, чтобы по каждой оси на 1 большой контакт приходилось бы по 2 малых контакта. Следовательно, вся сетка ГСК должна представлять собой мозаику, заполненную контактами таким образом, чтобы вокруг каждого большого контакта было бы 6 малых, как показано на-рис. 16, в, г. Т.к. у контактов с разной ТН значение 5 будет разным, то и минимальная площадь для размещения контактов с разной ТН будет различной и равной О?. Достаточная площадь для всех N1 контактов с одной ТН будет а для И2 контактов с другой ТН будет 5/Л^. Но реальная общая площадь сечения изолятора окажется больше (как за счет неэкономного использования площади изолятора, так и из-за изоляционного пояска с по периферии изолятора). Коэффициент плотности компоновки (для 2-х значений ТН на контакт) выражается: +Б22М2).

В общем виде при наличии 3-х и более видов контактов с разной ТН, т.е. с разными значением $1 коэффициент примет вид: К=я(0+с)2/4^ З/М,, где п -число значений ТН на контакт.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

-Выполнен сравнительный анализ ОСК и ГСК при проектировании ПЭ, в результате чего установлено, что применение ГСК приводит к повышению плотности компоновки субминиатюрных элементов схем: увеличение числа возможных связей между элементами до 50%, сокращение общей длины коммуникации до 30% и уменьшению площади платы, занимаемой элементами до 30%. -Разработан метод совмещения координатных точек систем и трансформации форм размеров двумерных матричных структур из одной координатной системы в другую, который позволяет использовать компоненты ОСК на гексагональной координатной сетке с определенной погрешностью базировки и приводит к сокращению общей площади матрицы на 13% при сохранении площадей элементов и межэлементных расстояний. Создана методика определения оценки компоновки матричных структур в ГСК. Значительный эффект по экономии рабочей площади для частного случая дает, так называемый «паркетный» способ компоновки - до 35%.

-Исследована зависимость отклонений формы и размеров фрагментов ПЭ при групповой технологии, сформированные в ГСК от общего воздействия технологических факторов изготовления МЭА. Предложена методика коррекции геометрических параметров ПЭ в ГСК, которая позволяет обеспечить независимость нормированных отклонений от технологических факторов. -Разработаны модели построения функциональных узлов в ГСК на основании этого разработан способ компоновки МЭА, позволяющий увеличить: возможности размещения элементов на платах, плотность компоновки, количество связей, осуществляющих контакт с внешними элементами, а так же позволяющий сократить общую длину коммуникации, что повышает быстродействие схем. - Разработан способ проектирования типовых рядов КЦЭС с применением ГСК с оптимальным числом и сочетанием контактов. На основании чего разработаны ряды с секторным и мозаичным построением контактных пар, внедренных на ЗАО «Завод Элекон».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гафуров Ю.Р., Ефимов А.М., Ермолаев Ю П Оценка вероятности выхода годных двухслойных коммуникационных плат по сопротивлению переходных контактов между слоями разводки. Электронное приборостроение (ЭП). Научно-практический сборник (Науч.-пр.сб.). Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск №1(17).-Казань: КГТУ (КАИ). Мастер Лайн, 2001 С.68-77.

2. Ермолаев ЮП., Ефимов АМ Трансформация матричных структур в

угловую трехосную систему координат. ЭП. Науч.-пр.сб. №1(29).-Казань. ЮТУ (КАИ). Отечество, 2003. С.31-41.

3. Ермолаев ЮП., Ефимов A.M. Триады функциональных узлов в микросхемах и микросборках. ЭП. Науч.-пр.сб. №2(30).-Казань. КГТУ (КАИ). Мастер Лайн, 2003. С.7-17.

4. Ермолаев ЮП, Ефимов AM., Р.И.Насыров. Совместное применение трехосной шестидесятиградусной и ортогональной систем координат при проектировании электронных устройств. ЭП. Науч.-пр.сб. № 1(29) -Казань. КГТУ (КАИ). Отечество, 2003. С. 10-31.

5. Ермолаев Ю.П., Захаров Г.С., Ефимов А М Применение трехосной шестидесятиградусной системы координат при проектировании цилиндрических электрических соединителей с разной токовой нагрузкой на контакт. ЭП. Науч.-пр.сб. № 1 (29).-Казань. КГТУ (КАИ). Отечество, 2003. С. 10-31.

6. Ермолаев ЮП, Саттаров И К., Гафуров Ю.Р., Ефимов А.М Трансформация ортогональных матричных структур в четырехосной 45-градусной координатной системе. ЭП. Науч.-пр.сб.№1(29).-Казань. КГТУ(КАИ).Отечество, 2003. С.42-51.

7. Ермолаев Ю.П, Саттаров И К, Камашев Р. А, Гафуров ЮР, Ефимов A.M. Применение полярных координат при эскизной компоновке микросборок с высокоинтегрированными кристаллами ИС. ЭП. Науч.-пр.сб. №1(13).-Казань. КГТУ (КАИ). АО АБАК, 2000. С.84-98.

8. Ефимов А М Трехосная шестидесятиградусная система координат и ее применение при проектировании электронной аппаратуры. // Тезисы докладов II научно-технической конференции студентов и аспирантов «Памяти Василия Ивановича Поповкина». Казань. КГТУ (КАИ). 2001.

9. Ефимов А М. Применение разных систем координат на различных этапах проектирования микросборок. // Тезисы докладов I форума молодых ученых и специалистов республики Татарстан. Казань. НКЦ Казань. 2001.

Ю.Ефимов A.M. Конструктивное оформление элементов полупроводниковой технологии с применением трехосной системы координат. // Тезисы докладов Итоговой конференции Республиканского конкурса научных работ среди студентов и аспирантов имени Н.И.Лобачевского. Казань. КГУ (УНИКС). 2002.

11 .Ефимов A.M. Применение трехосной шестидесятиградусной системы координат при проектировании полупроводниковых интегральных схем. ЭП. Науч.-пр.сб. №4(25).-Казань. КГТУ (КАИ). Мастер Лайн, 2002. С.108-117.

12.Ефимов A.M. Матричный способ разводки проводников с высокоинтегри-рованных кристаллов БИС в трехосной шестидесятиградусной системе координат. ЭП. Науч.-пр.сб. №1(35). - Казань. КГТУ (КАИ). Мастер Лайн, 2004. С.86-95.

13.Ефимов А М. Системы координат в топологических трассировщиках. ЭП. Науч.-пр. сб. №7(41).-Казань. КГТУ (КАИ). ЗАО Новое знание, 2004. С.29-39.

14.Ефимов А.М Применение гексагональной системы координат при проектировании МДП-структур интегральных схем. ЭП. Науч.-пр.сб. №1(42).-Казань. КГТУ (КАИ). ЗАО Новое знание, 2005. С.42-51.

15 .Ефимов А М., Ермолаев Ю.П. Трансформация матричных структур в уг-

ловую трехосную систему координат. ЭП. Науч.-пр.сб. №1(29).-Казань. КГТУ (КАИ). 2003. С.31-42.

16.Ефимов A.M., Ермолаев Ю.П. Особенности топологии при проектировании пленочных элементов в гексагональной системе координат с учетом влияния технологических факторов. ЭП. Науч.-пр.сб.№7(41).-Казань. КГТУ (КАИ). ЗАО Новое знание, 2004. С.13-28.

17.Захаров Г.С., Миронов П.И, Ефимов A.M., Ермолаев П.А. Компактные электрические цилиндрические соединители с контактными парами с одинаковой токовой нагрузкой. ЭП. Науч.-пр.сб. №2(30).-Казань. КГТУ (КАИ). 2003. С.52-64.

М.Камашев РА, Ермолаев Ю.П., Ефимов А.М, Овечкт Р.М Повышение плотности компоновки контактов в двухслойной пленочной разводке. ЭП. Науч.-пр.сб. №2(18).- Казань, КГТУ (КАИ). Мастер Лайн, 52001. С.66-79.

19.Саттаров И.К, Ермолаев Ю.П., Овечкин P.M., Ефимов A.M. Особенности проектирования прецизионных дискретно подгоняемых пленочных резисторов. ЭП. Науч.-пр.сб. №3(12).-Казань. КГТУ (КАИ). Мастер Лайн, 2001. С.66-81.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1$. Усл. печ. л. 0,93. Усл. кр.-отт. 0,98. Уч.-изд. л. 1,0. _Тираж 100. Заказ Е 116.!_

Типография Издательства Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева 420111, Казань, К. Маркса, 10

»149 35

РНБ Русский фонд

2006-4 12692

Введение

Глава 1 Сравнительный анализ ортогональной и гексагональной координатных систем при проектировании элементов и компонентов электронных устройств

1.1 Характеристики координатных систем на плоскости

1.2 Коммуникационные возможности субминиатюрных элементов схем

1.3 Особенности конструктивных характеристик субминиатюрных элементов схем

1.4 Особенности конструирования функциональных элементов

Глава 2 Особенности проектирования пленочных элементов при совместном применении систем координат

2.1 Координация точек ортогональной и гексагональной систем координат и их совмещение

2.2 Трансформация форм размеров двумерных матричных структур и количественная оценка компоновки матриц

2.3 Особенности топологии при проектировании пленочных элементов с учетом влияния технологических факторов

Глава 3 Применение гексагональной системы координат при проектировании фрагментов функциональных узлов микроэлектронной аппаратуры

3.1 Особенности проектирования интегральных микросхем при полупроводниковой технологии изготовления

3.2 Особенности проектирования МДП-структур интегральных схем

3.3 Особенности применения компонентов микроэлектронной аппаратуры с гексагональной системой координат

3.4 Возможности технологического резервирования компонентов на платах с гексагональной системой координат

3.5 Модульный принцип конструирования элементов, узлов и устройств с применением гексагональной системы координат

Глава 4 Применение гексагональной системы координат при проектировании малогабаритных компактных электрических цилиндрических соединителей

4.1 Компактные электрические соединители с контактными парами с одинаковой токовой нагрузкой

4.2 Проектирование цилиндрических электрических соединителей с разной токовой нагрузкой на контакт

4.3 Мозаичный способ компоновки контактов с разной токовой нагрузкой в цилиндрических соединителях

Актуальность работы. С общим и неуклонным развитием современной системотехники становится заметна тенденция к разработке эффективных методов создания и проектирования систем. Происходит исследование систем на всех этапах их жизненного цикла. Современное состояние развития сложных технических систем, а также широкое использование технических и математических методов в изучении различных систем требует осмысления и интеграции всех возможных направлений науки и техники.

Крайне активное движение видно в направлении совершенствования систем автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры с целью поиска оптимизации технических решений, куда входит увеличение номенклатуры выпускаемых изделий, сокращение временных, материальных и энергетических затрат на проектирование и производство.

Одним из важнейших направлений является изучение, применение и внедрение различных систем координат в проектировании радиоэлектронной аппаратуры, где по сравнению с традиционными методами использования декартовой ортогональной и полярной системами координат на плоскости, используется гексагональная система.

Ортогональная система координат используется повсеместно при описании двумерных и проекций трехмерных объектов на плоскости, топологических чертежей, послойных технологических операций и иной технической документации при проектировании микросхем, микросборок, коммуникационных плат, компонентов и элементов различной электронной аппаратуры.

Современная компьютерная техника позволяет получать высокоточное описание плоских объектов произвольной формы и, что более существенно, управлять процессами обработки таких объектов с высокой заданной точностью. Однако с точки зрения общей более плотной компоновки элементов плоского объекта, а также для сокращения общей длины коммуникационных (плоских и узких) проводников ортогональная система координат не является наилучшей.

Общей тенденцией развития микроминиатюризации является: уменьшение размеров элементов; сокращение площади на межэлементную и межкомпонентную коммуникацию, то есть повышение эффективности использования площади плат; увеличение количества связей между элементами; более плотная компоновка элементов с учетом площади зоны окружающей элементы; уменьшение общей длины коммуникационных проводников.

Данный ряд проблем в определенной степени решает гексагональная система координат. Наименее изученным аспектом здесь является условие физической реализуемости метода проектирования радиоэлектронной аппаратуры с применением указанной системы координат. В связи с этим, важными составными частями в решение проблемы входят исследования по выяснению общих закономерностей проектирования коммуникационных плат, пленочных элементов и компонентов, способов компоновки электронных устройств, межэлементной и межкомпонентной коммуникации нетрадиционным методом, исследования различных методов и способов анализа и сравнения, возможности совмещения ортогональной и гексагональной систем координат.

Цель работы. Повышение компактности и коммуникационных возможностей комплексов элементов электронных устройств с применением гексагональной системы координат.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1 проведен сравнительный анализ характеристик координатных систем на плоскости при проектировании элементов и компонентов электронных устройств;

2 проведены исследования по совместному использованию ортогональной и гексагональной систем координат - совмещение координатных точек этих систем и трансформации форм размеров двумерных матричных структур из одной системы в другую, разработана методика определения оценки компоновки матричных структур в гексагональной системе координат;

3 разработаны модели построения пленочных элементов микроэлектронной аппаратуры в гексагональной системе координат, разработан метод определения отклонений геометрических характеристик пленочных элементов в гексагональной системе координат;

4 спроектированы функциональные устройства в ортогональной и гексагональной системах координат при одинаковой технологии изготовления;

5 разработан оптимальный ряд типоразмеров компактных цилиндрических электрических соединителей с контактными парами с предельно плотным расположением контактов.

Методы исследования. Для решения обозначенных задач в работе использовались методы эмпирического исследования. Экспериментальные методы использовались с целью определения плотностей электрических полей в пленочных элементах различной конфигурации.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1 впервые разработан метод проектирования элементов и компонентов микроэлектронной аппаратуры в гексагональной системе координат с учетом влияния технологических факторов;

2 представлена методика совместного использования ортогональной и гексагональной координатных систем при формировании комплексов пленочных элементов и объемных компонентов в ограниченной области объекта проектирования;

3 предложены методы трансформации элементов и их комплексов из одной системы координат в другую;

4 разработаны модели построения функциональных узлов микроэлектронной аппаратуры в ортогональной и в гексагональной системах координат;

5 предложен новый метод построения типовых рядов малогабаритных электрических соединителей в гексагональной системе координат.

Практическая ценность работы.

1 Показаны возможности и особенности применения гексагональной системы координат при проектировании коммуникационных плат, пленочных и полупроводниковых элементов микроэлектронной аппаратуры.

2 Выявлена возможность совмещения ортогональной и гексагональной координатных систем в плоскости с использованием стандартных корпусов интегральных микросхем и переходных рамок.

3 Предложен метод технологического резервирования компонентов с применением гексагональной системы координат на коммуникационных платах.

4 Представлены модели автоматизированной ориентации и построения фигур из конструктивных элементов гексагональной системы координат.

5 Исследованы изменения, происходящие в матричных структурах при трансформации их в гексагональной системе координат, влияние форм, как элементов, так и самих матриц на плотность компоновки.

6 Разработана методика расчета плотности компоновки контактов электрических соединителей с применением гексагональной системы координат. Построен ряд типоразмеров электрических соединителей с оптимальным числом и сочетанием контактов.

Реализация в промышленности. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований отдельные результаты по применению гексагональной системы координат в проектировании электронных средств был принят на внедрение ОАО «Завод Элекон».

Апробация работы. Основные результаты и отдельные разделы диссертации докладывались и обсуждались на:

1 II научно-технической конференции студентов и аспирантов «Памяти Василия Ивановича Поповкина». Тема доклада «Трехосная шестидесятиградусная система координат и ее применение при проектировании электронной аппаратуры». Казань. КГТУ (КАИ). 20 марта 2001 г.

2 I форум молодых ученых и специалистов республики Татарстан. Тема доклада

Применение разных систем координат на различных этапах проектирования микросборок». Казань. НКЦ Казань. 11-12 декабря 2001 г.

3 Итоговая конференция Республиканского конкурса научных работ среди студентов и аспирантов имени Н.И.Лобачевского. Тема доклада «Конструктивное оформление элементов полупроводниковой технологии с применением трехосной системы координат». Казань. КГУ (УНИКС). 1-2 марта 2002 г.

Публикации. Содержащиеся в диссертации сведения нашли отражения в 19 научных трудах, в том числе 16 научных статьях, 3 тезисах докладов, с участием в научных конференциях.

Основные положения, которые выносятся на защиту:

1 Сравнительный анализ ортогональной и гексагональной координатных систем при проектировании элементов и компонентов электронных устройств.

2 Особенности проектирования пленочных элементов при совместном применении систем координат.

3 Применение гексагональной системы координат при проектировании фрагментов функциональных узлов микроэлектронной аппаратуры.

4 Применение гексагональной системы координат при проектировании малогабаритных компактных электрических цилиндрических соединителей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии. Содержание работы изложено на 139 страницах машинописного текста, иллюстрируется 62 рисунками и 16 таблицами, выполненными на 64 страницах. Библиография содержит 90 наименований литературы.

Выход

-Общ.

Рис.3.6

Фрагмент микросхемы состоит из десяти полевых транзисторов с индуцированным каналом: пять транзисторов с каналомр-типа и пять транзисторов с каналом «-типа.

Так как гексагональная координатная система идеально приспособлена для элементов -с тремя внешними выводами - трехполюсников. В частности, одним из широко распространенных элементов интегральных схем является биполярный транзистор, который традиционно выполняется в ортогональной системе в форме прямоугольника. В МДП или (МОП металл-окисел-полупроводник) - структуре ситуация состоит немного иначе. Название МДП или МОП чисто условные, они указывают на то, что между затвором из проводящего материала — металла - и проводящего канала из полупроводника имеется изолирующий слой. Для уменьшения контактной разности потенциалов иногда вместо затвора из металла применяют затвор из поликристаллического кремния.

Имеются две основные разновидности полевых транзисторов с изолированным затвором: транзисторы с встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. На рис.3.6 используются в качестве активных элементов униполярные (или полевые) транзисторы. В представленной схеме полевые транзисторы с индуцированным каналом п и р-типа.

Строение транзистора с индуцированным каналом/?-типа показано на рис.3.7.

Рис.3.7

Данный транзистор имеет площадь 1334 мкм2, при использовании технологии с заданными допусками на изготовление.

Проектируя полевой транзистор в гексагональной системе координат в отличие от биполярных, возникает ряд условий, которых необходимо придерживаться. Во-первых, зная принцип работы полевого транзистора необходимо соблюдать параллельность границ истока и стока в области канала. Во-вторых, затвор должен быть расположен вдоль одной из осей гексагональной системы координат. В-третьих, необходимо придерживаться той же технологии с заданными допусками изготовления транзисторов, что и в классической системе. Придерживаясь этих условий, можно получить транзистор двух конфигураций -ромба и шестиугольника.

Транзистор в ортогональной системе координат имеет восемь внешних межэлементных связей, в гексагональной системе - четырнадцать.

По расчетам транзистор, спроектированный в гексагональной системе координат в виде ромба по допускам одинаковой технологии имеет площадь S~1414,54 мкм2, около 1415 мкм2. Данная фигура уступает в площади по сравнению с классической схемой построения. Появляются излишние области в заостренных краях, которые можно усечь, придерживаясь данной технологии. Усечение транзистора приводит к сокращению площади до S~1248,3mkm2, около 1248 мкм2. На рис.3.8 можно увидеть наглядно эти изменения. Хотя преимущества в сокращении площади незначительные, но данный транзистор имеет более гибкую компоновку и большее число межэлементных связей.

Рис.3.8

В спроектированном транзисторе происходит увеличение ширины границы истока и стока в области канала. Полевой транзистор - полупроводниковый прибор, в котором выходной ток управляется входным напряжением, оно создает электрическое поле, влияющее на выходной ток. Благодаря управлению электрическим полем входное сопротивление полевых транзисторов для постоянного тока и низкой частоты переменного тока может быть очень большим.

В отсутствие напряжения на затворе сильно легированные и-области истока и стока образуют вместе с подложкой два включенных навстречу диода. Поэтому приложение напряжения между истоком и стоком не вызывает существенного тока. При некотором положительном напряжении на затворе индуцируется проводящий канал за счет притяжения к изолирующей прокладке затвора электронов из /^-материала подложки. Хотя электроны в подложке не являются основными носителями, проводящий канал состоит только из основных носителей - электронов.

Толщина формируемого канала - около 1 мкм, длина - несколько микрометров, ширина зависит от мощности транзистора. Увеличение ширины канала приводит к увеличению надежности транзистора. Ширина каналов транзисторов составляет: в ортогональной системе координат - 9 мкм, в гексагональной - 16 мкм.

Пробой у полевых транзисторов наступает при напряжениях затвор-сток выше 25. .ЗОВ, а у мощных полевых транзисторов - при напряжении 60. 120 В.

Ещё одной из важных характеристик полевого транзистора является его выходное сопротивление. Значение выходного сопротивления маломощных полевых транзисторов обычно лежит в пределах 10. 100 кОм. При увеличении ширины стоковой области выходное сопротивление транзистора уменьшается.

Для повышения мощности транзистора его конфигурацию можно изменить в гексагональной системе. На рис. 3.9 представлен полевой транзистор в виде правильного шестиугольника. Здесь ширина канала увеличена на 12 мкм по сравнению с транзистором, представленным на рис.3.8. Естественно, у данного транзистора улучшены электрические и компоновочные характеристики. Увеличены: ширина канала, что позволяет повысить мощность транзистора и площадь контактных площадок, что уменьшает сопротивление между рабочей областью транзистора и коммуникационным проводником. Форма правильного шестиугольника позволяет повысить плотность и гибкость компоновки.

Единственный недостаток - это увеличение площади полевого транзистора, она составляет при той же допустимой технологии изготовления, что и представленные выше транзисторы, S-1832,5мкм2, около 1833 мкм2.

При общей компоновке транзисторов в единое функциональное устройство, гексагональная система координат дает больше преимуществ, чем классическая ортогональная. Возможность размещения элемента в едином пространстве платы повышается с двух до шести, количество направлений трассировки возрастает с четырех до шести, количество возможных межэлементных связей у каждого элемента увеличивается с восьми до четырнадцати.

Однако нельзя не учесть и некоторых недостатков, таких как сложность формы законченного спроектированного устройства, ведь в ортогональной системе координат оно имеет прямоугольную форму, более привычную для модульного принципа конструирования, хотя в некоторых случаях прямоугольная форма не приемлема.

Варианты конструкций фрагмента микросхемы TS3V339 представлены на последующих рисунках. г-оо

113 Рис.3.10

На рисунке 3.10 представлен фрагмент микросхемы с заданными параметрами спроектированный в классической ортогональной системе координат. Площадь фрагмента составляет 9831 мкм2, имеются пять внешних контактов с другими фрагментами единого законченного устройства, в данном случае интегральной микросхемы из четырех одинаковых компараторов, выполненных на одной плате.

Данные примеры проектирования одного из фрагментов не единственные, могут иметься и другие вариации. Встает необходимость представить возможности конструирования этого же устройства, с одинаковой технологией изготовления, в ортогональной и гексагональной системах координат.

Придерживаясь тех же требований по технологии изготовления выбранного устройства, на рис.3.11 представлен вариант конструкции фрагмента схемы в «гексагональном» исполнении. Здесь за элемент схемы принят транзистор в виде неправильного шестиугольника или усеченного ромба с двух острых углов. Этот элемент был представлен

•у ранее на рис.3.8,б. Этот транзистор имеет площадь 1248 мкм , следует также учесть, что это полевой транзистор с индуцированным каналом р-типа, а транзистор с каналом n-типа будет иметь ещё меньшую площадь. В итоге полученный фрагмент имеет общую площадь с учетом выхода проводников за пределы компоновки лишь элементов схемы около 7946 мкм . Это на 20 % меньше по площади фрагмента, спроектированного в ортогональной системе координат. Хотя это одни не из лучших вариантов компоновки, но можно сделать предварительные выводы, что применение гексагональной системы координат позволяет, во-первых, повысить плотность компоновки, во-вторых, сократить площадь платы, занимаемую

Однако имеется недостаток в увеличении длины коммуникационных проводников, который может быть устранен за счет достижения более оптимального расположения элементов схемы.

На рис.3.12 представлен фрагмент схемы, спроектированный из элементов -транзисторов в виде правильного шестиугольника. Площадь транзистора с р-каналом, имеющего форму правильного шестиугольника составляет 1833 мкм2, транзистора с и-каналом имеет меньшую площадь. Фрагмент схемы, спроектированный из полевых транзисторов правильной шестиугольной формы, займет около 14207 мкм2. Естественно, увеличение площади одного элемента схемы приведет к почти пропорциональному увеличению площади всего фрагмента схемы. В данном случае увеличение площади элемента на 37 % привело к увеличению площади фрагмента схемы на 44 % по сравнению с ортогональной системы координат [27].

Рис.3.12

3.3 Особенности применения компонентов микроэлектронной аппаратуры с гексагональной системой координат

3.1.1 Конструкции кристаллов интегральных схем для компоновки на платах

Основными компонентами электронных устройств, которые монтируются на коммуникационных платах являются полупроводниковые кристаллы со сформированными в них электронными функциональными узлами, часто весьма высокой сложности. После изготовления их на общей полупроводниковой пластине производится скрайбирование (надрезание алмазом) по границам функциональных узлов с контактными площадками для внешних связей, расположенными по периметру, по двум ортогональным направлениям.

Затем пластина разламывается по линиям реза. Другая технология формирования кристаллов осуществляется с помощью лазера.

Форма контура кристалла применяется прямоугольная (рис.3.13,а, б). Обязательным условием такой технологии разделения кристаллов являются прямые линии реза, проходящие через всю пластину. Однако такая форма контура кристалла, точнее, расположение контактных площадок строго по квадрату или по прямоугольнику обеспечивает полное совпадение с гексагональной координатной сеткой на коммуникационной плате только по горизонтальному направлению, где шаг между контактными площадками на плате и между контактными площадками на кристалле устанавливается одинаковый. Что же касается вертикального направления, то на коммуникационной плате в связи с наклоном координат под углом 60° шаг в вертикальном направлении окажется меньше в >/з/2 раза, и, кроме того, смещенным влево и вправо на 1/2 шага в горизонтальном направлении. Полный расчет по совмещению координатных систем был приведен в предшествующей главе.

Рис.3.13

В принципе полное совмещение координатных сеток на коммуникационной плате, сформированной по гексагональной системе координат, и по контуру контактных площадок на кристалле, может быть обеспечено простым изменением угла скрайбирования полупроводниковой пластины. На рис.3.13,д - и приведены конфигурации кристаллов, которые можно выполнить с применением гексагональной системы координат. Такая форма скрайбирования кристаллов наряду с полным совмещением координатных сеток на кристалле и на плате обеспечивает уменьшенную площадь, занимаемую контактными площадками (при таком же расстоянии между контактными площадками). Если рассматривать примеры, сравнивая варианты (рис.3.13,а) с (рис.3.13,в или е), а также варианты (рис.3.13,6) с (рис.3.13,г или ж), то сокращение площади кристалла происходит за счет уменьшения ширины кристалла в >/з/2 раза при расположении контактных площадок по гексагональной системе координат.

Естественно будет иметь место и соответствующее сокращение полезной внутренней зоны кристалла, где формируются элементы функционального узла (ФУ). Это следует учесть при проектировании функциональных узлов интегральных схем (ИС) по такому принципу идеально в тех случаях, когда большое число внешних выводов ФУ совмещается с относительно небольшой площадью внутренней зоны кристалла (несложная схема с большим числом внешних выводов) именно такое решение является целесообразным.

При использовании углового скрайбирования возникают некоторые сомнения технологов, которые обоснованы менее четким сколом в острых, шестидесятиградусных углах кристалла, однако, в связи с соответствующим увеличением расстояния от ближайшего контакта до вершины угла такой дефект вполне допустим.

Тем не менее, основным препятствием к применению кристаллов с наклонными боковыми сторонами являются возражения разработчиков полупроводниковых ИС, которые проектируют во всем мире в ортогональных координатах и обеспечены соответствующим проектным и производственным оборудованием.

Оптимальным вариантом решения задачи полного совмещения гексагональной координатной сетки на плате с контактной рамкой на кристалле и с сохранением всех процессов проектирования и производства кристаллов ИС в традиционных ортогональных координатах является варианты конструктивных решений (рис.3.13,в, г) для разных отношений площади внешних контактных площадок к площади элементов ИС.

В этих вариантах ортогональная система координат полностью используется как для проектирования элементов схемы ИС, скрайбирования кристаллов под традиционным прямым углом и при формировании горизонтальных рядов внешних контактных площадок. Вносится лишь коррекция в расположении контактных площадок по вертикалям, где их следует располагать зигзагом под углом к вертикали ±30° для полного совмещения с координатной гексагональной сеткой на плате. При этом сокращается и вертикальный размер кристалла в уЦп раза. Коррекция вертикальных рядов контактных площадок для внешних выводов практически не усложняет проектирование ИС и не изменяет технологию их изготовления.

Современная технология изготовления микроэлектронной аппаратуры позволяет использовать лазеры для надрезания технологических полупроводниковых пластин, на которых сформированы будущие кристаллы ИС. Следовательно, все проблемы скрайбирования с применением гексагональной системы координат автоматически отпадают.

3.1.2 Трансформация координатной системы применением корпусов и Промежуточных плат

Полное совмещение контактных площадок на кристалле с контактными площадками на коммуникационной плате необходимо только в тех случаях, когда расстояние между центрами контактных площадок оказывается одинаковым, т.е. при одинаковой разрешающей способности технологий, применяемых и для кристаллов, и для плат. В этих случаях используются шариковые или столбиковые выводы непосредственно при монтаже кристаллов на платах.

Однако в большинстве случаев разрешающая способность технологии разводки проводников на коммуникационных платах оказывается хуже, чем на кристаллах ИС. Это требует использования дополнительных коммуникационных устройств для трансформации разводки с контактных рамок кристаллов на контактную сетку коммуникационной платы. Традиционно, координатные сетки на кристалле и на плате ортогональные и отличаются только шагом (на плате шаг больше в два и более раз, чем на кристалле). При этом, естественно, на плате создается окружающая кристалл контактная зона, в которой в соответствие с координатной ортогональной сеткой располагаются контактные площадки платы. Для трансформации разводки с кристалла на плату используются переходные рамки различной конструкции, представляющие собой изоляционную пленку с пленочными проводниками.

Очевидно, что при использовании таких переходных рамок не представляет никаких затруднений выполнить внутреннюю контактную рамку, совмещаемую с кристаллом ИС по обычной ортогональной системе координат, а наружную контактную рамку, которая должна быть совмещена с угловой системой координат на коммуникационной плате, уже по гексагональной системе координат. б)

Рис.3.14

При этом можно использовать для контура переходной разводной рамки не только гексагональную, но и традиционную ортогональную систему координат (рис.3.14). Характерной особенностью размещения контактных площадок по гексагональной системе координат является традиционное размещение по одной линии горизонтальных рядов контактов (параллельно оси х) и обязательное размещение под углом 60° к горизонтали контактов, располагаемых в вертикальном направлении с таким же шагом между контактами. Кристалл выполнен традиционно в форме квадрата или прямоугольника.

Наиболее плотной компоновкой характеризуется прямоугольный контур переходной рамки (рис.3.14,а). Однако выводная рамка обладает только двухсторонней симметрией и при монтаже на плате может принимать только два положения (при технологическом резервировании компонентов электронных устройств этого недостаточно). Но необходимо учитывать, что прямоугольная форма компонента, который монтируется на коммуникационной плате с гексагональной сеткой, обладает меньшей гибкостью компоновки в сочетании с нетрадиционными контурами компонентов, оформляемых по гексагональной системе координат.

Нетрадиционная треугольная форма контура переходной рамки (рис.3.14,6) при использовании кристаллов ортогональной системы по площади рамки менее эффективна, однако такая форма идеально вписывается в гексагональную систему координат и, кроме того, характеризуется трехсторонней симметрией, что допускает монтаж компонента в трех положениях.

Большой интерес представляет контур в виде правильного шестиугольника (рис.3.14,в), который удобен при квадратной форме кристаллов, характеризуется удовлетворительным использованием площади, идеально вписывается в гексагональную систему координат и с точки зрения расположения выводов может принимать при монтаже любое из шести положений относительно контактных площадок на плате. При компоновке сотовых структур - обеспечивает наименьшую общую площадь зоны окружающей компоненты.

Одним из важнейших обстоятельств является то, чтобы соблюдалось совпадение числа контактных площадок, как на кристалле ИС, так и на переходной рамке. В данном случае необходимо учитывать и придерживаться следующего условия: п/4=т/к, (61) где п - число контактов на кристалле ИС, вписываемого в ортогональную систему координат, т - число контактов на переходной рамке, вписываемой в гексагональную сетку, к - число сторон фигуры переходной рамки, (треугольный контур - к-3, ромб, параллелограмм или трапеция - к=4, шестиугольник - к-6, и др. фигуры, вписываемые в гексагональную сетку).

При массовом и крупносерийном производстве микросхем, которые являются основными компонентами электронных устройств, а также в целях индивидуальной защиты кристаллов от внешних воздействий, кристаллы помещаются в корпус. Разводка проводников от кристалла к выводам корпуса одновременно выполняет функции трансформации шага и расположения внешних выводов. Поэтому если предполагается заказ значительной партии ИС, которые намечено использовать в коммуникационных платах с угловой системой координат, то имеет смысл заказать скорректированную разводку в корпусе от кристалла к выводам в корпусе, аналогичную описанным выше решениям, для разводных рамок при гексагональной системе координат на коммуникационных платах.

3.1.3 Возможность применения компонентов и стандартных корпусов при гексагональной системе координат

Применение гексагональной системы координат на коммуникационных платах обеспечивает определенные преимущества, описанные выше, однако использование на них компонентов, которые помещены в стандартные корпуса со строго фиксированным расположением внешних выводов, затрудняет применение таких готовых нормализованных компонентов.

Подавляющее большинство ИС выпускается в прямоугольных корпусах, по двум сторонам которых, (в ряде вариантов по всем сторонам и даже иногда по всей нижней стороне корпуса) располагаются контактные площадки с фиксированным шагом (обычно s=2,5 мм). В корпусах с перпендикулярным к плоскости корпуса направлением проволочных или ленточных выводов ортогональная сетка с шагом s должна полностью соответствовать такой же сетке на коммуникационной плате. Но это условие выполняется только для одного горизонтального ряда выводов на корпусе.

На рис.3.15 приведена гексагональная сетка координат на коммуникационной плате с шагом между контактными точками s, и с наложенным на нее прямоугольным корпусом компонента с расположением внешних выводов по всем сторонам корпуса с таким же шагом s. Обеспечить полное совпадение контактов одного верхнего или одного нижнего рядов контактов не представляет затруднений - надо выбрать для коммуникационной платы такой шаг, который был бы кратен шагу расположения выводов на корпусе, например, распространенный шаг 2,5 мм.

Однако совместить контактные площадки по вертикальным сторонам не представляется возможным, так как шаг контактных площадок в строго вертикальном направлении на плате равен Например, при 5=2,5 мм s*=4,33 мм, в то время как на корпусе шаг вертикального ряда контактов также равен 2,5 мм. Казалось бы, что в связи с тем, что большинство корпусов такого вида имеют только два горизонтальных ряда выводов, (контактов на вертикальных рядах нет) то можно бы использовать такие корпуса при равенстве шагов в верхнем и нижнем горизонтальных рядах. Однако расстояние между этими рядами в стандартных корпусах также строго фиксировано и равно целому числу шагов s. Совпадение двух горизонтальных рядов с очень малой погрешностью будет при условии, если шаг ряда контактов на корпусе будет кратен шести или семи шагам координатной сетки, об этом подробнее указывалось в предшествующей главе.

Следовательно, совместить второй горизонтальный ряд контактов на корпусе с сеткой на плате возможно лишь при условии, когда расстояние между горизонтальными рядами контактов на корпусе В совпадет с расстоянием между горизонтальными линиями координатной сетки на плате, как показано на рис.3.15.

Общее же условие совпадения обоих горизонтальных рядов на плате с гексагональной системой координат и на корпусе выражается: т=4з ms, (62) где п - число шагов s между горизонтальными рядами на корпусе, т - число шагов, которое должно быть между горизонтальными линиями в координатной сетке платы, чтобы обеспечить равенство В на корпусе и на плате.

Выполнение этого условия, имея в виду, что значения пит- должны выражаться целыми числами, примет вид п/т=Л.

Так как цельночисленные значения пит могут быть в пределах двух десятков, то точное выполнение этого условия невозможно (ближайшее приближение, которое оказывается равным 1,8, будет при п=9 и т=5).

Однако, имея в виду, что шаг координатной сетки на плате может быть выбран меньше расстояния между контактными площадками на той же плате, особенно при гексагональной системе координат, которая допускает более плотное заполнение площади платы пленочными проводниками, то шаг координатной сетки по всем трем осям координат на плате может составлять 1,25; 0,833 и даже 0,625 от принятого стандартного значения шага между контактами у корпусов s, например, 2,5 мм. Следовательно, шаг координатной сетки на плате по вертикали будет меньше и можно добиться лучшего приближения к приведенному выше условию.

На рис.3.16 приведены координатные сетки на коммутационной плате с разным шагом s при одном и том же шаге расположения выводов на корпусе, например 2,5 мм. На рис.3.16,а расстояние между выводами соответствует 2,5 мм и координатная сетка с шагом s уменьшенным в два раза по отношению к шагу контактов, т.е. 5=1,25 мм шаг между возможными контактами по вертикали соответственно составит s*=2,16 мм. Если шаг координатной сетки на плате уменьшить в три раза по сравнению с шагом на корпусе (рис.3.16,в), т.е. s составит 0,833 мм, то шаг между контактами по вертикали составит s*= 1,44 мм. При еще большем уменьшении шага сетки на плате, а именно в четыре раза

Рис.3.16

Можно провести исследование возможности применения прямоугольных корпусов с двухрядным расположением выводов, располагаемых в пределах контура корпуса, для стандартных расстояний между рядами выводов, которые в нашей стране приняты: В*=1,5 мм, 10 мм и 22,5 мм при фиксированном шаге между выводами s-2,5 мм.

Исследование показало, что корпусы с расстоянием между рядами контактов на корпусе равном 7,5 мм можно использовать только при шаге на плате равном s=0,625 мм, т.к 5*=1,08 мм, погрешность несовпадения составит 0,078 мм (1,04%). Корпусы с расстоянием 5=10 мм могут использоваться при шаге сетки на плате 5=0,833 мм (5*= 10,06 мм), что обеспечивает совпадение координат по вертикали до 0,1 мм (1,04%). Корпусы с расстоянием 5=22,5 мм могут использоваться только при шаге сетки на плате 5=0,625 мм {В*-22,7 мм), что обеспечивает погрешность не более 0,2 мм (1,04%). Совмещение стандартных корпусов с двухрядным расположением выводов на гексагональной сетке с соответствующим разбиением шагов обеспечивает погрешность базировки в пределах 1%.

Значительно проще решается вопрос по использованию прямоугольных корпусов с двухрядным расположением выводов, которые расположены в плоскости корпуса и выходят за пределы контура корпуса. Обеспечить любое расстояние между параллельными рядами контактных участков выводов можно соответствующим групповым укорочением или изгибанием выводов, поэтому компоненты в корпусах такой конструкции свободно можно применить на коммутационных платах с гексагональной системой координат даже без уменьшения шага на плате.

Наряду с прямоугольными корпусами имеют ограниченное применение ИС в круглом корпусе. Однако, казалось бы на идеальное совпадение расположения выводов по окружности, которая вписывается в гексагональную систему координат, использовать ИС в таких корпусах не всегда представляется возможным. Объясняется это тем, что по окружности стандартного корпуса должно располагаться такое число выводов, которые совмещалось с гексагональной системой координат, требующей расположения по окружности определенного числа равноудаленных друг от друга контактов.

Тем не менее, как показано выше, имеется возможность непосредственного использования компонентов в стандартных прямоугольных корпусах с двухрядным расположением выводов [8].

3.4 Возможности технологического резервирования компонентов на платах с гексагональной системой координат

Изготовление интегральных схем, особенно высокой сложности, на полупроводниковых подложках сопровождается проявлением дефектов так называемых проколов, в результате чего функциональный узел (ФУ) на общем кристалле, в котором проявился такой дефект, должен быть отбракован, и, следовательно, подвергается отбраковке весь кристалл, несмотря на то, что остальные ФУ оказались работоспособными.

Поэтому часто применяется технологическое резервирование ФУ, которое заключается в том, что на кристалле наряду с формированием N функциональных узлов, без которых невозможна работа данного электронного устройства, предусматривается К резервных таких же ФУ. Поэтому, если после скрайбирования подложки, будет обнаружено до К дефектных ФУ на кристалле, то останется достаточно N ФУ, которые необходимо включить в устройство, изменяя коммутацию либо на самом кристалле, либо на коммуникационной плате. Однако и то, и другое технологически крайне неудобно, дорого и даже часто невозможно, так как изменять фиксированную разводку, как на кристалле, так и на плате очень сложно.

Однако, существует удобный, практически не требующий дополнительных затрат, способ исключения дефектных ФУ в процессе монтажа кристаллов на коммуникационной плате изменением положения кристалла (или корпуса, разводной рамки) относительно контактов на плате. Детально такой способ избирательного включения кондиционных ФУ на кристалле при наличии резервных ФУ рассмотрен в работе Ю.П.Ермолаева, А.Ю.Ермолаева, Н.Н.Тихонова «Технологическое резервирование в бескорпусных интегральных микросхемах при фиксированной коммутации на кристаллах и платах микросхем» [10].

Однако такой способ возможен лишь при использовании совершенно одинаковых ФУ на кристалле (или в корпусе) и одинаковой конструкции контактной гребенки от каждого (в том числе и от возможного дефектного) ФУ, которые за счет поворота кристалла или корпуса компонента могут подключаться к той или иной контактной гребенке на плате. Это возможно лишь при полной симметрии работоспособного и дефектного ФУ.

Контактные гребенки на коммуникационной плате определяются гексагональной сеткой, что для прямоугольных кристаллов или корпусов сокращает возможности технологического резервирования, но при использовании нетрадиционных форм кристаллов или корпусов, возможности технологическою резервирования повышаются.

Рассмотрим типовые варианты конструктивных решений компонентов с набором одинаковых ФУ. На рис.3.17,а представлена конструкция корпуса компонента, содержащего два одинаковых ФУ, один из которых может оказаться дефектным. При использовании гексагональной системы координат на коммуникационной плате, когда в силу большого числа внешних выводов с каждого ФУ должны быть использованы две стороны корпуса (кристалла) с неодинаковым расположением контактов по каждой из этих двух сторон. Если после проверки готового к монтажу на плате корпуса окажется что один из этих двух совершенно одинаковых ФУ будет дефектный, то при монтаже контактные гребенки располагаются на плате в бесконтактной зоне (на рис.3.17,а дефектный ФУ оказался ФУ2). Кондиционный ФУ устанавливается своими контактными гребенками на единственную пару контактных гребенок на плате.

Если дефект оказался в ФУ1, то он устанавливается на пустую зону на плате, а ФУ2 контактирует с гребенками на плате. При использовании любого годного ФУ, из изготовленных на кристалле, не требуется какая либо корректировка в разводке, как на кристалле, так и на плате; необходимо лишь повернуть кристалл или корпус на 180°.

В зависимости от сложности ФУ и от состояния технологии производства, вероятность изготовления бездефектным одного ФУ на кристалле р может изменяться в весьма широких а) б)

Рис.3.17 в) пределах. Естественно будет изменяться и вероятность изготовления кристалла (корпуса) с двумя ФУ, из которых один допускается дефектным - рг

Гексагональная система координат на коммуникационной плате допускает вариант технологического резервирования при значительном числе одинаковых ФУ на одном кристалле или в корпусе сложного компонента, недоступного при ортогональной системе координат на плате.

На рис.3.17,в показаны контактные гребенки от шести одинаковых ФУ на кристалле (или в корпусе), разводка на коммуникационной плате предусмотрена для пяти бездефектных ФУ на одном кристалле. При этом проводники разводки оказываются размещенными под углом 60° ко всем контактным гребенкам, что существенно экономит площадь платы для проводников, так как расстояния между их осями оказываются меньше, чем между осями контактных площадок.

Такое решение позволяет при попадании дефекта на любой из шести ФУ на кристалле или в корпусе развернуть кристалл или корпус таким образом, чтобы ФУ с дефектом оказался бы в зоне, где контактная гребенка на плате отсутствует, остальные пять ФУ окажутся подключенными к разводке на плате.

Оценка вероятности выхода годных кристаллов при формировании на них определенного количества ФУ, каждый из которых характеризуется своей вероятностью выхода годных р, а возникновение дефекта в каждом из ФУ определяется случайным попаданием его на тот или иной ФУ, производится по выражениям приведенным в таблице

Заключение

В первой главе изложены предпосылки и необходимость исследований поставленной задачи, дана характеристика проблемы и определены пути её решения.

Исследования, проведенные по применению координатных систем в проектировании элементов электронных устройств с точки зрения общей более плотной компоновки элементов плоского объекта, а также для сокращения общей длины коммуникационных проводников показали, что ортогональная система координат не является наилучшей. Здесь необходимо рассматривать комплекс координатных систем как совокупность взаимодействующих между собой звеньев сложной САПР.

На основании обзора литературы определены основные задачи исследований и сформулирована постановка решаемых задач.

Затронуты тенденции разработки конструкции и технологии изготовления элементов электронных устройств. Следует отметить, что особенности проектирования СВЧ-техники не были затронуты.

Здесь делается основной упор на сравнительный анализ применения гексагональной системы координат наряду с наиболее часто используемой в области конструкторско-технологического проектирования электронной аппаратуры - ортогональной.

Вторая глава посвящена наиболее сложному вопросу — исследования взаимосвязи координатных систем при проектировании электронных устройств. Рассмотрены такие вопросы как координация объекта в гексагональной системе, совмещение координатных систем, приведена методика перехода из ортогональной системы в гексагональную. Изложены варианты трансформации компонентов и матричных структур ортогональной системы в гексагональную, которые не только добавляют третий набор параллельных межэлементных связей, но и могут радикально деформировать регулярную матричную структуру. Оценивается повышение плотности компоновки, как самих матричных структур, так и контактных зон окружающих матрицы.

Необходимо отметить, что в этой же главе приводятся результаты по исследованию особенностей топологии при проектировании пленочных элементов с учетом влияния технологических факторов. Выполнен анализ по геометрическим и функциональным характеристикам пленочных элементов в гексагональной системе координат.

В третьей главе рассмотрены возможности формирования типовых элементов полупроводниковых интегральных схем в гексагональной системе координат. Приведены результаты расчетов типовых фрагментов полупроводниковых ИС, спроектированных в ортогональной и гексагональной системах координат, при использовании одной и той же технологии изготовления. Исследования показывают, что происходит увеличение возможности размещения элементов на платах, плотность компоновки, количество связей позволяющих осуществить контакт с внешними элементами, происходит сокращение длины коммутационных проводников, что естественно увеличивает быстродействие схем.

Здесь же учтены возможности применения стандартных компонентов микроэлектронной аппаратуры современной элементной базы в гексагональной системе координат. Приведены возможности технологического резервирования компонентов на платах с гексагональной системой координат.

В четвертой главе рассмотрено применение гексагональной системы координат при проектировании малогабаритных цилиндрических электрических соединителей. Работа выполнялась совместно с ОАО "Завод Элекон", которое является головным в стране по данному типу электрических соединителей. Разработан оптимальный ряд типоразмеров соединителей с контактными парами с предельно плотным расположением контактов. Приведены рекомендации по применению ряда типоразмеров при проектировании конкурентоспособных соединителей.

Во второй части этой главы рассмотрено два способа формирования расположения' контактов с разной токовой нагрузкой в цилиндрических электрических соединителях с использованием гексагональной координатной системы. Первый способ - применение двух координатных сеток с разными, но неизменными шагами по осям — оказался ограниченным по применению и менее эффективным по компактности цилиндрических электрических соединителей. У второго способа, когда при компоновке контактов с большой токовой нагрузкой использован переменный шаг по осям координат, обеспечил наибольшую компактность цилиндрических электрических соединителей с разной токовой нагрузкой на контакт. Приведена методика и примеры расчета компактных цилиндрических электрических соединителей обоими способами.

В третьей части четвертой главы представлена мозаичная методика размещения контактов по площади сечения изолятора электрических соединителей с разной токовой нагрузкой на контакт, приведено сравнение по компактности с нормализованными типоразмерами. Предложен коэффициент оценки плотности компоновки.

Резюмируя обозначенное выше, сформулированы выводы: 1.Выполнен сравнительный анализ ортогональной и гексагональной систем координат при проектировании пленочных элементов, в результате чего установлено, что применение гексагональной системы координат приводит к повышению плотности компоновки субминиатюрных элементов схем: увеличение числа возможных связей между элементами до 50%, сокращение общей длины коммуникации до 30% и уменьшению площади платы, занимаемой элементами до 30%.

2. Разработан метод совмещения координатных точек систем и трансформации форм размеров двумерных матричных структур из одной координатной системы в другую, который позволяет использовать компоненты ортогональной системы координат на гексагональной координатной сетке с определенной погрешностью базировки, и приводит к сокращению общей площади матрицы на 13% при сохранении площадей элементов и межэлементных расстояний. Создана методика определения оценки компоновки матричных структур в гексагональной системе координат. Значительный эффект по экономии рабочей площади для частного случая дает, так называемый «паркетный» способ компоновки - до 35%.

3. Исследована зависимость отклонений формы и размеров фрагментов пленочных элементов при групповой технологии, сформированные в гексагональной системе координат от общего воздействия технологических факторов изготовления микроэлектронной аппаратуры. Предложена методика коррекции геометрических параметров пленочных элементов в гексагональной системе координат, которая позволяет обеспечить независимость нормированных отклонений от технологических факторов.

4.Разработаны модели построения функциональных узлов в гексагональной системе координат, на основании этого разработан способ компоновки микроэлектронной аппаратуры, позволяющий увеличить: возможности размещения элементов на платах, плотность компоновки, количество связей, осуществляющих контакт с внешними элементами, а так же позволяющий сократить общую длину коммуникации, что повышает быстродействие схем.

5. Разработан способ проектирования типовых рядов электрических соединителей с применением гексагональной системы координат с оптимальным числом и сочетанием контактов. На основании чего разработаны ряды с секторным и мозаичным построением контактных пар, внедренных на ЗАО «Завод Элекон».

В целом изучение методов конструкторско-технологического проектирования электронных устройств и вообще электронной аппаратуры продолжает непрерывно совершенствоваться. В этом направлении характерны тенденции развития науки и техники в связи с тем, что происходит внедрение электронных устройств во все сферы человеческой деятельности, наблюдается непрерывный рост степени интеграции элементной базы (микроэлектроники как таковой) и пррисходит исчезновение разграничений между различными типами проектирования, как то - системотехническое, схемотехническое, конструкторское и технологическое. Эти тенденции будут иметь место до тех пор, пока любая информация будет представляться в виде электрических сигналов.

Представленная работа позволяет найти определенные пути решения проблем в области проектирования радиоэлектронных средств. Нельзя не учитывать вопросов, которые остались не затронутыми, но в полной мере и в широкой области применения этого сделать невозможно. Поэтому был предложен, если даже не принцип или метод, но хоть взгляд или подход на решение проблем в конструкторско-технологическом проектировании.

Имеется два пути проектирования электронной аппаратуры в существующие типы конструкций машин, приборов и оборудования. Первый - адаптация электронной аппаратуры под управляемые ею объекты. Второй - адаптация конструкции управляемых объектов под унифицированную и стандартизированную конструкцию электронной аппаратуры. Естественно, в пользу второго пути решения проблемы можно отнести уже наработанные конструкторско-технологические решения, а разработки, производство и внедрение снижают серийную производительность и повышают стоимость, то это не должно говорить о том, что развитие в данном направлении должно быть приостановлено. Ведь перспективность развития может быть доказана последующими результатами внедрения новых подходов.

Степень интеграции элементной, микроэлектронной базы будет непрерывно увеличиваться. Постепенное развитие микроэлектроники говорит об успешных результатах -в направлении наноэлектроники, и перспективность предложенного подхода очевидна.

1. Билибин К.И., Власов А.И., Журавлева J1.B., Мысловский Э.В., Парфенов О .Д., Пирогова Е.В., Шахнов В.А., Шерстнев В.В. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 - 526 с.

2. Гусев В.А., Мордкович А.Г. Справочник по математике. 3-е изд., перераб. - М.: Просвещение, 1995. - 448 с.

3. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1980.-750 с.

4. Лиопо В.А. Сборник задач по кристаллографии. Учебное пособие по курсу «Физика диэлектриков и полупроводников» для студентов специальности Н0201.2000. 68 с.

5. Ефимов A.M., Ермолаев Ю.П. Трансформация матричных структур в угловую трехосную систему координат. Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск №1(29). Казань. КГТУ (КАИ). 2003. С.31-42.

6. Камашев Р.А., Ермолаев Ю.П. Оценка плотности компоновки матричных структур. Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск №1(17). Казань. КГТУ (КАИ). Мастер Лайн, 2001. С.80-88.

7. Ермолаев Ю.П., Кантор Ф.И. Расчет трапециевидных микропленочных сопротивлений. Труды КАИ. Выпуск № 85. Казань, КАИ, 1964г.

8. Ермолаев Ю.П., Пономарев М.Ф., Крюков Ю.Г. Конструкции и технология микросхем. Учебник для вузов под ред. Ермолаева Ю.П. М.: Сов. радио, 1980.

9. Виноградов Ю. Микромощные компараторы серии TS3V339. // Радио. 2004. №4. С.50

10. Соединители низкочастотные, низковольтные комбинированные. М. Внешторгиздат. Изд. № 49М328.

11. Ермолаев Ю.П., Ефимов A.M. Триады функциональных узлов в микросхемах и микросборках. Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск №2(30). Казань. КГТУ (КАИ). Мастер Лайн, 2003. С .7-17.

12. Ефимов A.M. Применение разных систем координат на различных этапах проектирования микросборок. // Тезисы докладов I форума молодых ученых и специалистов республики Татарстан. Казань. НКЦ Казань. 2001.

13. Ефимов A.M. Системы координат в топологических трассировщиках. Электронное приборостроение. Научно-практический сборник. Приложение к журналу «Вестник КГТУ (КАИ)». Выпуск №7(41). Казань. КГТУ (КАИ). ЗАО Новое знание, 2004. С.29-39.

14. Ермолаев Ю.П. Расчет и конструирование подгоняемых микропленочных сопротивлений. // Известия вузов СССР. Радиотехника. №6. Киев. 1963.

15. Ермолаев Ю.П. Теоретические основы групповой обработки и сборки компонентов электронной аппаратуры. Казань. КГТУ (КАИ), 2001. 198 с.

16. Конструирование и технология микросхем. Курсовое проектирование. Учебное пособие для вузов./ Коледов Л.А., Волков В.А., Докучаев Н.И. и др. Под ред. Коледова Л.А. М.: Высшая школа. 1984. - 231 с.

17. Базилевич Р.П. Некоторые задачи синтеза планарных топологий. Вычислительная техника. Вильнюс, 1979. Т. 12. С. 16-23.

18. Базилевич Р.П. Декомпозиционные и топологические методы автоматизированного метода конструирования электронных устройств. Львов.: Вища школа, 1981. 168 с.

19. Базилевич Р.П. Обобщенный подход к формированию задачи машинной трассировки межсоединений на плоскости. Изв. вузов СССР. Радиоэлектроника, 1974. № 6. С.98-103.

20. Барановский Е. П. Упаковки, покрытия, разбиения и некоторые другие расположения в пространствах постоянной кривизны. Итоги науки. «Алгебра. Топология. Геометрия». 1967 г. М.: ВИНИТИ, 1969, С. 189-225.

21. Бессмельцев В.П., Выдрин Л.В., Голошевский Н.В., Максимов М.В. Автоматизированная система нанесения тонких полимерных пленок // Автометрия, 2003, № 2, т. 39. С. 48-57.

22. Деньдобренько Б.Н., Малика А.С. Автоматизация конструирования РЭА. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1980. - 384 с.

23. Зиновьев А.Ю., Питенко А.А., Россиев А.А. Проектирование многомерных данных на двумерную сетку. // 2-я Всероссийская научно-техническая конференция "Нейроинформатика-2000". 4.1. М.: МИФИ.-2000. С.80-88.

24. Кабатянский Г. А., Левенштейн В. И. О границах для упаковок на сфере и в пространстве. Проблемы передачи информации. Т. 14, № 1. 1978. С.3-25.

25. Калинин Д.В., Плеханов А.И., Восель С.В., Соболев Н.В. Происхождение послойного чередования кубической и гексагональной симметрии в структуре природного и синтетического благородного опала // ДАН, 2003, Т.392, № 5. С.675-677.

26. Кечиев J1.H. Проектирование печатных плат с учетом требований электромагнитной совместимости // Технологии приборостроения. 2002. № 3. С.3-13.

27. Компанеец А.С. Симметрия в микро- и макромире. М.: Наука, 1978. - 206 с.

28. Лузин С.Ю., Полубасов О.Б. Трассировка печатных плат. Новые методы решения старых проблем // САПР и графика, 1997. №11. С.58-59.

29. Лузин С.Ю., Полубасов О.Б. Топологическая трассировка: реальность или миф? // EDA Expert. 2002. № 5. С.42-46.

30. Микроэлектроника. Учебное пособие для втузов в 9 кн. / Под ред. Коледова Л.А. Кн.6. Гибридные интегральные функциональные устройства. / Блинов Г.А. М.: Высшая школа. 1987.- 111 с.

31. Микроэлектроника. Учебное пособие для втузов в 9 кн. / Под ред. Коледова Л.А. Кн.8. Микроэлектронная аппаратура. / Коледов Л.А., Ильина Э.М. М.: Высшая школа. 1987. -128 с.

32. Микроэлектронная аппаратура на бескорпусных интегральных микросхемах. / Воженин И.Н., Блинов Г.А., Коледов Л.А. и др. Под ред. Воженина И.Н. М.: Радио и связь. 1985. -264 с.

33. Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры. Под ред. Высоцкого Б.Ф. М.: Сов. радио. 1978.

34. Петренко А.П., Тетельбаум А.Я., Забалуев Н.Н. Топологические алгоритмы трассировки многослойных печатных плат. М.: Радио и связь, 1983. 152 с.

35. Пономарев М.Ф. Конструкция и расчет микросхем и микроэлементов ЭВА. Учебник для вузов. М.: Радио и связь. 1982. - 288 с.

36. Потапов Ю. Поговорим о трассировщиках // Электронные компоненты. 2002. № 3. С.1-3.

37. Селютин В.А. Машинное конструирование электронных устройств. М.: Советское радио, 1977.-384 с.

38. Смирнов В.И., Мата Ф.Ю. Теория конструкции контактов в электронной аппаратуре. -М.: Сов. радио. 1974.

39. Современная кристаллография. В 4-х томах. Под ред. Б.К.Вайнштейна. Т.1,2. М.: Наука, 1979.- 1980 с.

40. Сухарев А.В., Золотов А.И. Модели и процедуры оптимизации в автоматизации проектирования. (Программный комплекс FreeStyle Router) Учеб. пособие. СПб.: СЗТУ, 2001.- 165 с.

41. Хингстон Д., Логхид Ф., Ирвин Р. Новый топологический автотрассировщик // Chip News. 2002. № 2. С.60-64.

42. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник./ Якубовский С.В. и др.; Под ред. Якубовского С.В. М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.