Общие сведения о БМК
Для ускорения темпов разработки интегральных схем, уменьшения сроков и снижения стоимости их проектирования и производства возникла концепция полузаказных интегральных микросхем, основанная на применении унифицированной конструкции кристалла-заготовки. Первые схемы, созданные по этому принципу, были разработаны в 60-х годах. Они изготавливались на унифицированном кристалле с фиксированным расположением функциональных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов или функциональных блоков.) (рисунок 1). При этом проектирование заключалось в создании схемы из имеющегося на кристалле ограниченного состава функциональных элементов, задании соответствия элементов схемы их расположению на кристалле и проведении межсоединений между ними. Такой кристалл-заготовка получил название «базовый кристалл»
Базовый кристалл (микросхемы), БК - это часть полупроводниковой пластины с определенным набором сформированных электрически соединенных или несоединенных между собой элементов или стандартных ячеек, используемая для создания микросхем заданного функционального назначения путем изготовления межэлементных соединений (ГОСТ Р 57435-2017 «Микросхемы интегральные. Термины и определения»).
Этот подход, однако, не получил широкого распространения из-за неэффективного использования площади кристалла, вызванного фиксированным расположением функциональных элементов и длинными связями коммутации. Тем не менее, и в настоящее время базовые кристаллы применяются для реализации ограниченных наборов типов микросхем. Так специалистами НПК «Технологический центр» были разработаны базовые кристаллы, позволяющие реализовать наборы микросхем малой и средней степени интеграции, заменяющие микросхемы серий 133, 530, 533.
Базовый матричный кристалл (микросхемы), БМК – это базовый кристалл с регулярным расположением сформированных в нем элементов и (или) узлов (ГОСТ Р 57435-2017 «Микросхемы интегральные. Термины и определения»).
БМК (англоязычный термин ULA, Uncommited Logic Array) представляет собой регулярное поле не соединенных между собой простейших базовых элементов (отдельных транзисторов или групп транзисторов), окружённое областью периферийных контактов. Указанные простейшие элементы расположены на кристалле матричным способом, т.е. в узлах регулярной прямоугольной сетки. Как при проектировании на основе стандартных ячеек, БМК имеет библиотеку функциональных ячеек, топологии которых фиксированы и реализуют достаточный для построения схем набор логических функций. Однако, в данном случае, любая ячейка за счёт регулярного расположения простейших элементов может быть размещена в любом месте поля БМК, а для освоения конкретной БИС в производстве (как и в случае с БК) требуется спроектировать и изготовить только фотошаблоны слоев коммутации.
Область применения конкретного БМК определяется многими факторами - размером поля, количеством внешних выводов, параметрами надёжности и устойчивостью к внешним воздействующим факторам, параметрами технологии и технологическими нормами, конструкцией ячеек поля БМК и периферийных ячеек, составом библиотеки функциональных ячеек, эффективностью и доступностью средств проектирования, сроками и стоимостью разработки, изготовления и поставки микросхем и многими другими
Наибольшее распространение в настоящее время имеют БМК на КМОП структурах, реализованные либо на объёмном кремнии, либо на структурах «кремний на изоляторе» (КНИ).
В конструкции БМК можно выделить регулярное поле, окружённое областью периферийных контактов. Для определения размера поля БМК используется понятие «эквивалентный вентиль». Один эквивалентный вентиль соответствует четырём КМОП транзисторам, на которых можно реализовать логическую функцию 2И-НЕ или 2ИЛИ-НЕ. При этом необходимо различать фактический размер поля, и количество эквивалентных вентилей, которые могут быть использованы при реализации конкретной микросхемы. Отношение использованных эквивалентных вентилей к размеру поля БМК называется коэффициентом заполнения.
Сложность реализуемых на БМК микросхем определяется различными факторами: наличием многовыводных корпусов, возможностями охлаждения микросхем в аппаратуре, эффективностью средств проектирования и т.д. Реально не удаётся использовать все 100 % поля БМК. При заполнении БМК не более чем на 70 %, как правило, удаётся спроектировать топологию автоматически средствами САПР без вмешательства разработчика. При большем заполнении топология разрабатывается в интерактивном режиме с участием разработчика. Увеличение плотности заполнения усложняет процесс проектирования, но в результате может быть использован меньший кристалл, производство которого будет дешевле. Поэтому обычно БМК разрабатывают сериями. Серию составляют несколько конструктивно подобных кристаллов, имеющих общую библиотеку функциональных ячеек, но различный размером поля БМК и количество внешних выводов. Размер поля БМК в серии увеличивается примерно вдвое для каждого большего по размеру типа БМК. Серии БМК также могут расширены за счет применения для одного типоразмера кристалла различных типов корпусов. Серия 5503 содержит 7 типов БМК с размером поля от 576 до 5478 условных вентилей и от 26 до 64 информационных внешних выводов в 5 типах корпусов.
Конструкция БМК, как правило, строится на топологических ячейках, включающих в себя четыре КМОП транзистора – две комплементарные пары (два транзистора n-типа и два транзистора p-типа). Подобные ячейки позволяют эффективно использовать ресурсы БМК и реализовывать любые схемотехнические решения. Однако встречаются БМК с разно-габаритными ячейками или с регулярно повторяющимися транзисторными структурами.
По конструкции поля наибольшее распространение получили БМК, имеющие «канальную» организацию и БМК типа «море вентилей». При канальной организации поле БМК представляет собой последовательность столбцов или строк ячеек и каналов для трассировки (рисунок 2а). При организации по типу «море вентилей» поле БМК представляет собой сплошную регулярную структуру однотипных ячеек (рисунок 2б). Иногда в БМК используют в качестве дополнительного слоя коммутации отрезки поликремния, которые располагают в промежутках между ячейками. Подобное использование поликремния улучшает разводимость БМК, увеличивает максимальный коэффициент заполнения, но усложняет проектирование, т.к. использование поликремния может существенно увеличить задержки распространения сигналов в топологии.
Разработке полузаказных микросхем на БМК предшествует этап разработки и освоения в производстве самого базового матричного кристалла, который выполняется в форме опытно-конструкторской работы (ОКР) в соответствии с ГОСТ РВ 15.215. При этом решается целый комплекс проектных, технологических, технических и производственных задач, выпускается комплект конструкторской и технологической документации, а результаты разработки подтверждаются квалификационными испытаниями.
При разработке БМК можно выделить следующие основные виды работ:
• определение области применения (народно-хозяйственное или специальное назначение) и основных технических требований на БМК (напряжение питания, требования по устойчивости к статическому электричеству, климатическим, механическим, космическим факторам, надёжности и др.);
• разработка технического задания (ТЗ) на ОКР либо в соответствии с требованиями ГОСТ 18725 для микросхем народно-хозяйственного, либо в соответствии с требованиями ОСТ В 11 0998 и ГОСТ РВ 15.201 - специального назначения;
• выбор или разработка технологии изготовления БИС на основе БМК, обеспечивающей выполнение требований ТЗ на ОКР;
• разработка конструкции и топологии БМК, включая разработку топологии ячейки поля БМК и периферийной ячейки «ввода/вывода», контактов «ЗЕМЛЯ», «ПИТАНИЕ»;
• выбор или разработка корпуса, в котором будет выполняться поставка микросхем;
• разработка библиотеки функциональных ячеек, которая включает в себя базовые функциональные ячейки и составные ячейки, реализованные на основе базовых;
• разработка и настройка на конструкцию и библиотеку БМК средств проектирования БИС;
• разработка рабочей конструкторской и технологической документации, необходимой и достаточной для изготовления опытной партии микросхем;
• разработка аттестационной БИС, которая должна включать в свой состав все базовые функциональные ячейки и иметь максимально достижимый коэффициент заполнения поля БМК;
• подготовка производства БИС, включая разработку необходимой технологической оснастки для изготовления, сборки кристаллов БИС в корпуса, измерения микросхем в составе пластины и в корпусе, проведения необходимых испытаний микросхем;
• изготовление опытной партии аттестационной БИС;
• проведение квалификационных испытаний аттестационной БИС с целью подтверждения параметров, указанных в технической документации на БМК в соответствии с ТЗ на ОКР;
• утверждение после коррекции по результатам проведения квалификационных испытаний комплектов конструкторской и технологической документации;
• включение БМК в перечень изделий, разрешённых к применению в разработке специальной техники.
ОКР по разработке БМК по срокам и стоимости сопоставима с ОКР на разработку заказной БИС. Однако, указанные в технических условиях на БМК параметры, подтверждённые при проведении квалификационных испытаний, распространяются без проведения дополнительных испытаний на все БИС, в последующем разработанные на основе данного БМК. Именно за счёт этого удешевляется и ускоряется процесс проектирования и освоения БИС в производстве, т.к. все наиболее дорогостоящие и длительные процедуры проектирования, подготовки производства и испытаний уже выполнены в рамках ОКР при разработке БМК.