2. Принципы построения бис

В современной микроэлектронной аппаратуре, выполняющей функции об­работки и хранения информации, автоматизации и управления технологическими процессами, используются универсальные и специализированные микросхемы различной степени интеграции. Наблюдается тенденция более широкого приме­нения интегральных микросхем высокой степени интеграции – больших (БИС) и сверхбольших (СБИС).

Универсальные микросхемы выпускаются массовыми тиражами и предна­значены для применения в аппаратуре различного назначения.

Специализированные микросхемы выпускаются ограниченными тиражами (сотни – десятки тысяч штук) и предназначены для применения в конкретной ап­паратуре.

Широкое применение имеют специализированные БИС, построенные на основе базовых матричных кристаллов и программируемых логических уст­ройств. При автоматизированном проектировании они могут быть разработаны и изготовлены за достаточно короткое время: несколько недель – для БИС на ос­нове БМК, несколько дней – для БИС на основе ПЛУ.

Принципы построения и параметры базовых матричных кристаллов.

Базовый матричный кристалл содержит сформированную заранее матрицу базовых ячеек, расположенную в центральной части, и группу буферных ячеек (ячеек интерфейса – ввода-вывода), расположенных по периферии кристалла (рис.2). В состав ячеек входят группы нескоммутированных элементов (транзи­сторов, резисторов, конденсаторов) и отрезков полупроводниковых шин для реа­лизации пересекающихся электрических связей.

Из элементов ячеек с помощью электрических связей в виде металлических (проводниковых) и полупроводниковых шин формируются различные функцио­нальные элементы (логические элементы, триггеры, счетчики, регистры и др.), буферные элементы и соединения между ними.

В матричных БИС, как правило, основные функциональные элементы рабо­тают в режиме малого потребления энергии, обеспечивающем необходимое бы­стродействие. Буферные элементы, предназначенные для осуществления внеш­них связей матричной БИС, потребляют повышенную мощность, что необходимо для согласования по уровням логического напряжения, нагрузочной способности и помехоустойчивости.

Д

Рис.2. Типовые структуры БМК:

а) со сплошным массивом однородных ячеек; б) с массивом однородных ячеек или макроячеек, разделенных вертикальными и горизонтальными каналами для проводников; в) с массивом неоднородных ячеек, разделенных горизонтальными каналами; 1 – матрица базовых ячеек; 2 – матрица буферных ячеек; 3, 5, 8 – ячейки матриц; 4, 7, 10 – буферные ячейки; 6, 9 – макроячейки; 11, 12 – горизонтальные каналы; 13 – вертикальные каналы

ля упрощения процесса проектирова­ния и сокращения сроков разработки БИС на основе БМК широко используются библио­теки функциональных элементов. Топология функционального элемента в виде фрагмента БИС с унифицированными размерами разра­батывается на основе элементов одной или нескольких рядом расположенных ячеек. Вся информация о топологии фрагментов хра­нится в базе данных системы автоматизиро­ванного проектирования.

На основе БМК могут быть выполнены цифровые, аналоговые, аналого-цифро­вые и цифро-аналоговые БИС. Набор элементов ячеек БМК, предназначенных для изготовления аналоговых БИС, позволяет формировать усилители, компараторы, ана­логовые ключи и другие устройства. В состав ячеек входит большое количество разнооб­разных активных и пассивных элементов. При этом к параметрам пассивных элементов обычно предъявляется требование доста­точно высокой точности и стабильности. В состав БМК, предназначенных для изготов­ления аналого-цифровых БИС, входят обычно две матрицы ячеек: для формирова­ния соответственно аналоговых и цифровых устройств.

Базовые матричные кристаллы для цифровых и аналоговых БИС строятся на основе биполярных транзисторов и полевых транзисторов с изолированным за­твором. В аналоговых БИС более широкое применение получили биполярные транзи­сторы с высокой крутизной проходной вольт­амперной характеристики.

Матрицы могут состоять из однородных или неоднородных ячеек. В БМК, предназначенных для реализации цифровых БИС с невысокой степенью инте­грации (около 1000 логических элементов), используются однородные ячейки, для цифровых БИС с высокой степенью интеграции (около 10000 логических элементов) и цифро-аналоговых БИС – матрицы с неоднородными ячейками.

Применяются два способа организации ячеек матрицы БМК:

1. На основе элементов ячейки может быть сформирован один базовый ло­гический элемент, выполняющий элементарную функцию (НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ с разветвлениями по входам или выходам). Для реализации бо­лее сложных функций используется несколько ячеек. Число, разновид­ности и параметры элементов определяются электрической схемой базо­вого логического элемента.

2. На основе элементов ячейки может быть сформирован любой функцио­нальный элемент библиотеки. Типа элементов и их число определяются электрической схемой самого сложного функционального элемента.

При первом способе построения ячеек можно получить достаточно высокие коэффициент их использования в составе матрицы, коэффициент использования площади БМК и соответственно повышенную степень интеграции БИС. Для трассировки соединительных проводников требуется мощная система автомати­зированного проектирования.

При втором способе построения ячеек БМК упрощается система автомати­зированного проектирования БИС, так как посадочные места одинаковых по форме и размерам ячеек заранее определены. Однако, если в проектируемой БИС используется достаточно много простых функциональных элементов библиотеки с низким коэффициентом использования элементов ячейки, снижаются коэффи­циент использования площади кристалла и степень интеграции БИС.

В матричных БИС электрические соединения выполняются с помощью ме­таллических (проводниковых) и полупроводниковых (моно- и поликристалличе­ских) шин. Шины цепей питания и заземления, как правило, выполняются из алюминия, характеризующегося низким удельным сопротивлением. Легирован­ные полупроводниковые шины, имеющие повышенное удельное сопротивление, в основном применяются для реализации коротких слаботочных сигнальных це­пей.

Для создания электрических связей между элементами используется одно- и многоуровневая металлизация.

Набор параметров и характеристик БМК должен быть достаточно полным для потребителя. К типовым параметрам и характеристикам БМК относятся:

• технология изготовления;

• число ячеек в кристалле;

• структура (набор элементов) ячейки;

• наименование, типовые электрические параметры, схемы и фрагменты типовых функциональных элементов, формируемых на основе элемен­тов ячеек;

• параметры элементов ввода-вывода;

• число периферийных контактных площадок;

• требования к источнику питания;

• указания по расположению и использованию контактных площадок для цепей питания и заземления и др.;