автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Разработка САПР для корпусирования СБИС

ВВЕДЕНИЕ.

1. Корпусирование. Постановка задачи.

1.1. Задача корпусирования.

1.2. Актуализация задачи корпусирования.

1.3. Обзор технологий корпусирования.

1.4. Специфика периферии современного кристалла.

1.5. Структура современного корпуса.

1.6. Современные правила корпусирования в технологии проводного монтажа.

1.7. Обзор существующих САПР для корпусирования.

1.8. Выводы.

2. Разработка алгоритмов и средств для решения задачи корпусирования.

2.1. Формирование проводного монтажа.

2.2. Автоматический подбор корпуса.

2.3. Назначение интерфейсных сигналов кристалла.

2.4. Контроль правил корпусирования.

2.5. Редакция периферии кристалла.

2.6. Средства адаптации функциональности САПР.

2.7. Выводы.

3. САПР для корпусирования СБИС.

3.1. Изменение места корпусирования в процессе проектирования.

3.2. Разработка САПР автоматизации корпусирования.

3.3. Специфика разработки средств САПР БИС в современных условиях.

3.4. Выводы.

Быстрый прогресс в микроэлектронике (постоянно растущая степень интеграции электронных схем и увеличение быстродействия) приводит к тому, что кристалл содержит все больше и больше элементов, что, в свою очередь, приводит к росту энергопотребления кристалла и увеличению количества периферийных элементов. По современным оценкам при технологии 0.13/ж, напряжении питания 1в и тактовой частоте 1Ггц СБИС может потреблять десятки ампер тока. Поскольку периферийный элемент кристалла имеет ограниченную нагрузочную способность, постоянной тенденцией является растущая из года в год доля контактов земли/питания в периферии БИС. Как следствие, корпус превращается в сложный электронный прибор, стремительно растет размер периферии кристалла и, следовательно, значительно усложняется задача корпусирования ИС. Ручное корпусирование становится невозможным для БИС и СБИС.

С другой стороны, для БИС и СБИС все менее приемлемым становится подход, когда вначале проектируется кристалл, а затем выполняется поиск корпуса, пригодного для корпусирования. Такого может просто не существовать. Поэтому ведущим становится подход, когда вначале проектируется периферия кристалла, выполняется корпусирование, а уже затем выполняется физическое проектирование кристалла.

Как правило, корпус налагает определенные и часто существенные ограничения на распределение специальных сигналов (земля, питание, синхронизация) по периферии кристалла. Существуют оценки [17], что если при выполнении физического проектирования кристалла не учитывать ограничения, налагаемые корпусом на его периферию, то реализация данных ограничений на поздних этапах с помощью трассировки может приводить к увеличению объема кристалла до 15% и более. Это особенно актуально для БИС и СБИС.

Таким образом, актуальной становится разработка программных средств автоматизации задачи корпусирования. Задача особенно актуальна для случая, когда выполняется корпусирование в готовый корпус в технологии проводного монтажа.

Цель исследования

Целью диссертационной работы являлось создание системы автоматизации задачи корпусирования микросхемы.

В соответствии с этим были определены следующие задачи:

• анализ характера, значимости и места корпусирования в общем процессе проектирования ИС на современном этапе развития микроэлектронной технологии;

• выбор технологии корпусирования;

• разработка алгоритмов и создание программных средств автоматизации как отдельных операций корпусирования, так и всей задачи корпусирования в целом.

Научная новизна работы

Решение поставленных в диссертационной работе задач определяет научную новизну исследования, которую составляют:

• обоснование существенного возрастания роли корпусирования на современном этапе развития микроэлектроники;

• обоснование изменения места корпусирования в общем процессе проектирования; для БИС и СБИС корпусирование должно выполняться до этапа физического проектирования кристалла;

• разработка алгоритмов и методик, обеспечивающих автоматизацию задачи корпусирования в готовый корпус в технологии проводного монтажа и применимых как для малых ИС, так и для СБИС.

Результаты работы, выносимые на защиту

В данной работе рассматриваются проблемы корпусирования на современном этапе развития микроэлектронной технологии.

В процессе исследований получены следующие основные научные результаты:

• обосновано изменение места корпусирования в общем процессе проектирования; для БИС и СБИС корпусирование должно выполняться до этапа физического проектирования кристалла;

• разработаны алгоритмы и методики, обеспечивающие автоматизацию задачи корпусирования в готовый корпус в технологии проводного монтажа, применимые как для малых ИС, так и для СБИС;

• предложен новый расширенный формат файла опций, позволяющий радикально упростить и сделать прозрачным для пользователя адаптацию программных средств САПР.

Практическая ценность

Результаты исследований, выполненных по теме диссертации, нашли применение в разработанном программном комплексе (приложения РСМ и PkgEditor). Данный программный комплекс используется в качестве базового средства автоматизации корпусирования в технологии проводного монтажа в фирме VLSI Technology Inc., прошел апробацию в фирме Philips и к концу 2000 года заменит там существующие средства автоматизации корпусирования.

Апробация

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах:

• На Мельниковских чтениях, Москва, 19 февраля 1999г.;

• на конференции «Экономические информационные системы на пороге XXI века», Москва, 19-20 окт. 1999 г.;

• На семинарах МЦСТ, НИИВТ.

Публикации по теме диссертации

1. В.С.Ирбенек, А.В.Жмурин, К.В.Келенин. Алгоритмы минимизации длин интерфейсных связей в САПР электронной аппаратуры. В сб. «Высокопроизводительные вычислительные системы и микропроцессоры». Труды института высокопроизводительных вычислительных систем РАН, -М., 1999, с. 18-30.

2. В.С.Ирбенек, А.В.Жмурин, К.В.Келенин. Применение алгоритмов решения задачи о назначениях для проектирования топологии межсоединений. В сб. докладов российской научной конференции «Экономические информационные системы на пороге XXI века». Московский государственный университет экономики, статистики и информатики. Институт экономических информационных систем и программирования. -М., 19-20 окт. 1999 г., с. 333-337.

3. В.Ф. Уткин, В.С.Ирбенек, А.В.Жмурин. Алгоритмическое и программное обеспечение для графического изображения схем, представленных списком соединений. В сб. докладов российской научной конференции «Экономические информационные системы на пороге XXI века». Московский государственный университет экономики, статистики и информатики. Институт экономических информационных систем и программирования. -М., 19-20 окт. 1999 г., с. 338-344.

4. А.В.Жмурин, В.С.Ирбенек, К.В.Келенин, Д.В.Кучеров. Алгоритмическое и программное обеспечение специализированной САПР для корпусирования БИС. Тезисы доклада на научной конференции, посвященной 70-летию академика В.А.Мельникова, -М., 1999г.

5. А.В.Жмурин, В.С.Ирбенек. Опыт разработки САПР ЭРА/ПК. Тезисы доклада на научной конференции, посвященной 70-летию академика В.А.Мельникова, -М., 1999г.

Содержание работы

В первой главе рассматривается задача корпусирования ИС, анализируется ее роль и место в общем процессе проектирования ИС на современном этапе развития микроэлектронной технологии, анализируются существующие средства САПР для автоматизации задачи корпусирования.

Во второй главе описываются разработанные алгоритмы и методики для решения задачи корпусирования в готовый корпус в технологии проводного монтажа, реализованные в САПР корпусирования РСМ.

В третьей главе анализируется изменение места корпусирования на современном этапе развития электронной технологии, описывается САПР корпусирования РСМ, созданная на основе предложенных алгоритмов и методик, рассматривается специфика разработки средств САПР БИС в современных условиях.

3.4. Выводы

• На современном этапе развития электронной технологии роль корпусирования значительно возрастает, а само корпусирование должно выполняться на самом раннем этапе проектирования, еще до выполнения физического проектирования кристалла. Сегодня нельзя отделять корпусирование от проектирования кристалла.

• На основе разработанных алгоритмов и методик создана САПР корпусирования БИС и СБИС в готовый корпус в технологии проводного монтажа. Разработанные программные средства автоматизации корпусирования обеспечивают проектирование ИС как «сверху-вниз», от корпуса, так и «снизу-вверх», от спроектированного кристалла. Благодаря этому, САПР корпусирования применима как для корпусирования малых ИС, так и для проектирования СБИС.

• САПР корпусирования прошла успешную апробацию и принята к практическому применению в фирме VLSI Technology Inc. (в настоящий момент - подразделение фирмы Philips). Вместе с тем САПР имеет несомненный потенциал для дальнейшего развития и совершенствования.

Заключение

В диссертационной работе рассмотрена проблема корпусирования в готовый корпус в технологии проводного монтажа, ее место в общем процессе проектирования ИС и средства автоматизации.

Проанализировано место задачи корпусирования в общем процессе проектирования ИС. Сделан вывод о том, что на современном этапе развития технологии значительно возрастает роль задачи корпусирования. Корпусирование должно выполняться на самом раннем этапе проектирования, еще до выполнения физического проектирования кристалла. Сегодня нельзя отделять корпусирование от физического проектирования кристалла. Таким образом, сегодня задача корпусирования в общем процессе проектирования ИС перемещается с конца на начало.

Разработаны алгоритмы и методики, обеспечивающие автоматизацию задачи корпусирования в готовый корпус в технологии проводного монтажа, применимые как для малых ИС, так и для СБИС.

Предложен новый расширенный формат файла опций, позволяющий радикально упростить и сделать прозрачным для пользователя адаптацию программных средств САПР.

На основе разработанных алгоритмов и методик создана САПР РСМ, обеспечивающая автоматизацию задачи корпусирования, специализированная на корпусировании в готовый корпус в технологии проводного монтажа. САПР РСМ применима как для корпусирования в технологии TAB, так и для корпусирования в технологии собственно проводного монтажа. РСМ поддерживает оба маршрута проектирования, как проектирование «снизу-вверх», т.е. корпусирование готового спроектированного кристалла, так и проектирование «сверху-вниз», т.е. от проектирования периферии кристалла.

1. D.J.Alcoe, М.А. Jimarez, G.W.Jones, T.E.Kindl, J.S.Kresge, J.P.Libous, R.J.Stutzman, and Cheryl L. Tytran-Palomaki. HiperBGA: a High Performance, Low Stress, Laminate Ball Grid Array Flip Chip Carrier. 1.M MicroNews, First Quarter 2000, Volume 6, No.2.

2. John Baliga. Flip-Chip Packaging: Prepare for the Rump-Up. Semiconductor International, March 1998.

3. Karen Carpenter. IBM Packaging Technology Keeping Pace with Semiconductor Roadmap. IBM MicroNews, Fourth Quarter 1998, Volume 4, No.4.

4. W.J.Greig, S.Bendat, VR Saba. Flip Chip Technology, Achieving Precize Placement andAttachement. Electronic Packaging & Production, July 1998.

5. A.J.Hoffman. On greedy algorithms that succeed. London Math Society Lecture Notes Series, 1985, v.103, pp.97-112.

6. Rita N. Horner, Rajendra D. Pendse, and Fan Kee Loh. Implementation of Pad Circuitry for Radially Staggered Bond Pad Arrangements. Hewlett-Packard Journal, December 1996.

7. Jennie S. Hwang, Ph.D. Modern Solder Technology for Competitive Electronics Manufacturing. 1996.

8. R. Wayne Johnson. Introduction to Hybrid Microelectronics. Chapter 1 in the Handbook of Hybrid Microelectronics, 2nd Edition, edited by Jerry Sergent and Charles Harper, McGraw-Hill, New York, 1994.

9. Ronald Kuracina. Flip Chip Packaging for the Year 2000. Presented at Semicon West '98.

10. Mark. J. Kuzawinski. IBMPBGA Products and Applications. IBM MicroNews, First Quarter 1998, Volume 4, No.2.

11. Mark. J. Kuzawinski. IBM's Ultra Fine Pad Pitch Wire Bond PBGA Modules: Market Needs and Applications. IBM MicroNews, Fourth Quarter 1998, Volume 4, No.4.

12. Mark. J. Kuzawinski. Wire Bond and Flip Chip: Small, Fine Pad Pitch BGA Packages. ЮМ MicroNews, First Quarter 2000, Volume 6, No.2.

13. Leslie Landers. Multichip Modules Pose SOC Alternative. Avant! Electronics Journal Technical, April 2000: ICDA Technology.

14. Bernard Levine. Motorola Fires Up MCMShow. Electronic News, April 7, 1997.

15. Rajendra D. Pendse, Rita N. Horner, Fan Kee Loh. Radially Staggered Bonding Technology. Hewlett-Packard Journal, December 1996.

16. Bemdt Schurmann, Joachim Altmeyer. The Effect of Pin Constraints on Layout Area. University of Kaiserslautern, Germany. The European Design and Test Exhibition/Conference, 1995.

17. Kathleen A. Stalter, Raymond A. Jackson, and David C. Linnell. Low-Cost, High Reliability Flip-Chip Removal for Multichip Modules. IBM MicroNews, Fourth Quarter 1999, Volume 5, No.4.

18. Giuseppe Vendramin and Mike Weller. MCM-L: Rethinking Electronic Packaging. ЮМ MicroNews, Fourth Quarter 1998, Volume 4, No.4.

19. S.M.Wentworth, D.P.Neikirk, and C.R.Brahce. The high frequency characteristics of Tape Automated Bonding (TAB) interconnects. ШЕЕ Trans. Components, Hybrids, and Manufacturing Tech., vol. 12, pp. 340347, 1989.

20. Jeffrey Zitz and Frank L. Pompeo. Direct Lid Attach Packaging for Ceramic Chip-Carrier Applications. IBM MicroNews, Second Quarter 1999, Volume 5, No.2.

21. Technology for Components and Subsystems (TCS). Report of the Packaging and Interconnection Workshop. September, 1996.

22. Е.А.Диниц, М.А.Кронрод. Один алгоритм решения задачи о назначении. ДАН СССР.-1969, т. 189, № 1. с. 23-25.

23. В.А.Ершов, В.С.Ирбенек. Алгоритм решения задачи назначения на матрицах специального вида. -М., 1981, (Препринт ИТМ и ВТ им. С.А.Лебедева, №4).

24. О.К.Гущин, А.В.Жмурин, С.Б.Флейшман и др. Каскадно-узловой метод проектирования конструктивных модулей вАСПВВК. -М. ИТМ и ВТ АН СССР, 1983.

25. В.С.Ирбенек, А.В.Жмурин. Анализ временных соотношений сигналов в логических моделях сложных электронных устройств. -М. Труды Московской городской конференции молодых ученых и специалистов «Системы автоматизированного проектирования (САПР-85)», 1985.

26. С.Б.Флейшман. Оптимальные назначения специального вида. -М., 1990, (Препринт ИТМ и ВТ им. С.А.Лебедева, № 2).

27. С.Б.Флейшман. Назначения с заданным порядком следования. ДАН СССР.-1991, т. 319, № 1, с. 581-584.

28. В.С.Ирбенек. Московский центр SPARC-технологий и Compass Design Automation: история и перспективы сотрудничества. Автоматизация проектирования, -М., 1997, № 3, с. 3-6.

29. В.С.Ирбенек, К.В.Келенин. Алгоритмы решения задачи о назначениях и их применение. Программные продукты и системы, -М., 1999, № 1, с. 20-24.

30. А.В.Жмурин, В.С.Ирбенек, К.В.Келенин, Д.В.Кучеров. Алгоритмическое и программное обеспечение специализированной / САПР для корпусирования БИС. Тезисы доклада на научной конференции, посвященной 70-летию академика В.А.Мельникова, -М., 1999г.

31. А.В.Жмурин, В.С.Ирбенек. Опыт разработки САПР ЭРА/ПК. Тезисы доклада на научной конференции, посвященной 70-летию академика В.А.Мельникова, -М., 1999г.