Курсовой проект по КТО, страница 2

Логические цепи компонуются по слоям X и Y, причем между слоями в любых направлениях необходимо ввести экраны (земляные слои). Структура конструкции кристалла строится по принципу структурных звеньев.

Для перехода со слоя на слой используем переходные отверстия с обеспечением максимального КПД.

Также необходимо добавить в структуру кристалла специальные разделительные элементы (конденсаторы р-n структуры) для развязки элементов логической схемы по высокой и низкой частоте.

6. Расчет конструкции коммутационных элементов.

6.1 Расчет среднего числа связей в логической цепи

L_кр = 5,6 /  = 5,6 / 1,1 = 5 мм

Расчет производим по формулам (5.6), (5.8), (5.9) и сводим в таблицу 3

6.2. Расчет средних длин связей и средних длин логических цепей.

Произведем расчет средней длины связи и средней длины цепи по формулам (6.7) и (6.8) соответственно. При расчете используем интеграцию схемы N_{maxэффект} и максимальную интеграцию БМК N_maxmax, а также значения функционального объема M_i и M_si соответственно.

Размер кристалла L_кр=5 мм, коэффициент k=1/3.

Расчет шага размещения структурных элементов на внутренних уровнях компоновки МКМ ведется исходя из максимального числа элементов на текущем уровне M_si и конечных размерах кристалла.

Результаты сведены в таблицу 4:

6.3. Расчет трассировочной способности

Произведем расчет суммарной длины связей, которая определяется отдельно для каждого уровня компоновки (L_свi) по формуле (6.9), а затем суммируются по кристаллу в целом (L_св^кр), при этом для кристалла БИС, суммирование длин связей имеет свои особенности:

L_свi=l_свi*N_свi - для внутренних уровнях МКМ (i=1,2,3)

L_свi=l_свi*N_свi – для внешнего уровня (i=4).

Расчет плотности трасс в кристалле (П_тр^кр) производится по формулам (6.10) и (6.11) с учетом общей суммарной длины связей в кристалле, его площади и эффективности использования трасс равная 0,7.

Результаты сведены в таблицу 5:

В процессе расчета воспользуемся формулами (5.9), (6.6), (6.14-6.21), формулами на ст. 102 и расчетной моделью конструкции, представленной в пункте 6.5.

Результаты расчетов сведены в таблицу 6:

Так как, в силу симметричности параметры одного направления проводников (X), полностью совпадают со значениями параметров другого направления (Y), то в таблице приведены параметры только для направления (Х).

Определим начальные значения проводников в конструкции кристалла по формулам:

• ширина W_пр=a_тр/2,5…3

• толщина W_пр=W_пр/8…9

Принимаем значение коэффициентов 3 и 8 соответственно.

Результаты расчетов сведены в таблицу 7:

Значения параметров, полученные в результате расчетов, могут уточнятся в процессе конкретного рабочего проектирования.

6.5 Расчет слойности, структуры и выбор числа потенциальных слоев.

Число потенциальных слоев задано и составляет 2 слоя. Шаг размещения трасс по направлениям Х, У составляет а_{тр x} = а_{тр y} =33,67мкм, тогда на двух слоях может быть размещено: : 2*5*10^-3/33,67*10^-6=297 трасс, при этом их средняя длина равна: : 297*5*10^-3=1,48 м.

Однако, выше нами была выбрана структура кристалла закрытого типа, поэтому для экранирования используем слой питания и земли.

Окончательная структура кристалла имеет вид, представленного на рисунке 2.

7. Выбор и обоснование общей конструкции МКМ.

7.1. Расчет числа выводов и определение типа корпуса МКМ.

Большое число внешних выводов приводит к необходимости применения корпуса МКМ со штырьковыми выводами.

Для увеличения плотности располагаем выводы в шахматном порядке с шагом 2,5 мм.

При таком расположении выводов площадь кристалла с отступом от слоев займет 41 вывода ( 5х5 + 4х4 выводов ). Таким образом, при расчете габаритов корпуса как прямоугольной модели с равномерным расположением выводов, общее число контактов можно определить как 1062 + 36*41 = 2538 выводов.

Таким образом, реализуем корпус с 2665 (37 х 37 + 36 х 36) выводом и прямоугольным окном под кристалл (минус 1476 вывод). Тогда длина корпуса будет равна ; 51*2,5=127мм

Для квадратного симметричного корпуса необходимо выполнить маркировку первого вывода, что бы обеспечить правильную установку МКМ в разъемный соединитель. Маркировку можно осуществить краской или введение конструктивных элементов (выступов, фасок). Т.к. в качестве маркировки в современных процессорах используется принцип введения фасок или выступов, мы тоже будем маркировать наш корпус таким методом, тем более он обеспечивает более удобный и технологически простой процесс производства.

Выводы делаем круглого сечения для простоты изготовления и котактирования. Диаметр выводов принимаем равным 0,5 мм, что, с одной стороны, позволит обеспечит необходимую жесткость для правильного контактирования, а с другой стороны, позволит реализовать гнездо в разъемном соединителе.

В качестве материала для изготовления корпуса используем керамику, которая дает возможность выполнить разводку выводов кристалла, а также обеспечивает, заданные в задание механические и тепловые характеристики.

7.2. Крепление кристалла в корпусе .

Установка кристалла в корпус можно осуществить на клей с последующей распайкой контактных площадок кристалла на соответствующие выводы корпуса, с применением микропроволоки и использованием автоматизированных средств.

8. Расчет параметров системного и функционального быстродействия МКМ.

Для определений значений схемной задержки (_лэ) и входного сопротивления (R_вых) ЛЭ типа КМОП используем эмпирические соотношения, полученные на основе «принципа масштабирования»:

_лэ=0,188*^0,91 ; R_вых=1200*^0,91 , где  в мкм, _лэ в нс, R_вых в Ом.

Результаты сведем в таблицу 8:

Конструктивная задержка ЛЭ по уровням компоновки (_свi) определялась по формуле (7.16) главы 7 по схеме, представленной на стр. 105.

Все цепи кристалла рассматривались применительно к КМОП – элементам как RC – цепи и время задержки сигнала в них (t_цi) определялась по формуле (7.20), где средняя длинна логической цепи рассчитывается по формуле (6.8).

При расчете задержки сигнала в логических цепях учитывались ограничения на топологические нормы проектирования МКМ, Исходные данные для получения которых были получены в п. 6.4.

W_пр  1,5*, получим 2,95  1,5*0,38 , т.е. 2,95  0,57 (верно)

h_пр  0,2*, получим 0,33  0,2*0,38 , т.е. 0,33  0,76 (верно)

Результаты расчетов параметров системного быстродействия представлены в таблице 9:

9. Выбор и обоснование технических решений по конструкции разъемного соединителя для МКМ.

Условие монтажа в конструктивном модуле более высокого уровня является разъемный принцип установки. В следствии того, что наш МКМ имеет большое количество контактов, для этих целей уместно применить разъемный соединитель с нулевым усилием сочленения (НУС соединитель). Он позволяет без усилия вставить МКМ, при этом обеспечивает надежное фиксирование МКМ в разъеме, после применения фиксатора.

Одним из важным элементом конструкции соединителя является контактная пара, которая состоит из двух частей – штыря и гнезда. У нас штырь – вывод , а гнездо – отверстие в НУС соединителе.

Контактная пара характеризуется требованиями высокой надежности соединения при воздействии допустимых механических и климатических воздействий. Этот параметр зависит от: способа контактирования, материалов контактной пары и их покрытий, точности изготовления и частоты обработки, величины контактного усилия.

Помимо параметров надежности контактная пара характеризуется переходным сопротивлением (0,01-0,02 Ом), максимальным рабочим током, нестабильности переходного сопротивления (20-30%), максимальной частотой тока, усилием соединения и разъединения контактов, износоустойчивостью и допустимым условиям эксплуатации.

НУС соединитель имеет число контактов, равное числу выводов МКМ, и включает в себя так же ключ, необходимый для правильного соединения с МКМ, а также нумерацию контактов для правильной установки на МПП.

10. Технологическая часть.

Технология производства МКМ представляет собой результат развития технологии изготовления БИС, однако, в связи с увеличением степени интеграции и уменьшением размеров рисунка, необходимо обеспечить более высокую точность обработки.

В общем случае технологический процесс изготовления МКМ можно разделить на две составные части:

• Технологический процесс изготовления коммутационного элемента конструкции Si-подложки

• Технологический процесс сборки МКМ (корпусирование)

Технологический процесс изготовления Si-подложки включает в себя:

• экспонирование

• формирование рисунка

• изготовление шаблонов

• травление

• диффузии

• имплантации ионов

• химическое осаждение из газовой фазы

• термическое окисление.

Достижение высокой точности обработки сопряжено с решением сложных технических проблем. Точность горизонтальной структуры МКМ определяется точностью формирования рисунка на слое резиста в процессе экспонирования, совмещения слоев, а также точностью диффузии и травления. Точность вертикальной структуры определяется точностью изготовления пленок методом химического осаждения из газовой фазы, а также точностью определения глубины травления и процесса диффузии.

Технологический процесс сборки МКМ включает в себя:

• монтаж коммутационного элемента на керамическое основание корпуса

• распайка микропроволокой соответствующих контактов кристалла на контактные площадки керамической подложки

• очистка паяных соединений и внутренних частей МКМ

• герметизация корпуса МКМ с откачкой воздуха из внутренних частей корпуса

• маркировка МКМ

• окончательный контроль

Заключение.

В данном курсовом проекте была выполнена разработка МКМ с интеграцией 225000 ЭЛЭ. Полученная на этапе проектирования МКМ удовлетворяет всем условиям заданным в ТЗ, что делает ее актуальной для использования в настоящие время.

ЛИТЕРАТУРА

1. Микитин В.М., Смирнов Н.А., Тювин Ю.Д. Электронное конструированиеЭВМ. Осно-вы компоновки и расчета параметров конструкций: Учебное пособие / Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (технический университет).- М.: 2000.

2. Основы построения технических средств ЕС ЭВМ на интегральных микросхемах/ В.В.Саморуков, В.М.Микитин, В.А.Павлычев и др. под общей редакцией Б.Н.Файзулаева. – М.: Радио и связь, 1981.

3. Преснухин Л.Н., Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. Учеб. для втузов по спец. "ЭВМ" и "Конструирование и производство ЭВА".-М.: Высш.шк., 1986.

4. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и сис­тем: Учеб. для вузов по спец. "Выч. маш., компл., сист. и сети". 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш.шк., 1989.

5. Применение интегральных микросхем в электронной вычислите­льной технике: Справочник / Р.В.Данилов, С.А.Ельцова, Ю.П.Иванов, В.М.Микитин и др.; Под ред. Б.Н.Файзулаева, Б.В.Тарабрина.- М.: Радио и связь, 1987.

6. Таруи Я. Основы технологии СБИС: пер. с япон. – М.: Радио и связь, 1985.

14