Гексагональная система координат в конструкторско-технологическом проектировании электронных устройств

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 элементовсокращение площади на межэлементную и межкомпонентную коммуникацию, то есть повышение эффективности использования площади платувеличение количества связей между элементамиболее плотная компоновка элементов с учетом площади зоны окружающей элементыуменьшение 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 элементовс 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 конфигурацийромба 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 элементовтранзисторов 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 14 207 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 ½ 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 питдолжны 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 платенеобходимо 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 результатахв направлении наноэлектроники, и перспективность предложенного подхода очевидна.