Изготовление и монтаж аппаратных средств телекоммуникационных систем

Первая интегральная микросхема на кремниевой пластине была продемонстрирована 12 сентября 1958 года американским исследователем Джеком Килби руководству компании Texas Instruments, США. Чуть позже тоже самое сделал Роббер Нойс из компании Fairchild Semiconductor. В настоящее время на физическом уровне микропроцессоры изготавливаются в результате более чем 250 стадий производственного цикла с использованием сложных химических процессов и таких методов, как фотолитография, ионная имплантация.

Основой современной элементной базы для изготовления микропроцессора является твердотельный планарный транзистор, изготавливаемый по диффузионной технологии, на кремниевой подложке.

Подложка - заготовка из диэлектрического материала в виде кремния, предназначенная для нанесения на неё элементов микросхем, межэлементных или межкомпонентных соединений, а также контактных площадок. При изготовлении ИС будущая полупроводниковая структура последовательно формируется на поверхности кристалла кремния в 15-25 слоях из поликремния, металла, диэлектрика.

Кристалл - часть полупроводниковой пластины, в объёме и на поверхности, которой сформированы элементы полупроводниковой микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки. Полупроводниковая пластина - заготовка из полупроводникового материала, предназначенная для изготовления полупроводниковых интегральных микросхем.

С 2001 года начался постепенный переход на полупроводниковые (кремниевые) пластины диаметром 300 мм, а в 2012...2015 г.г. начинается переход к полупроводниковым пластинам диаметром 450 мм. Проводимость отдельных «слоёв» будущего МПр обеспечивается поэтапной (по областям транзистора) диффузией примесей в кристаллическую структуру кремниевой подложки при температурах порядка +800°С с очень жесткими ограничениями на градиент температуры. Для получения приемлемых характеристик градиент должен иметь порядок ± 0,1°/час.

В настоящее время существуют МПр, выполненные на кремниевых подложках с помощью пластин диаметром 200.. .450 мм, что позволяет выпускать процессоры с площадью кристалла до 300... 500 мм2. Также МПр может выпускаться в виде сборки из нескольких больших (сверхбольших) интегральных схем.

Производство интегральных микросхем и МПр в целом можно разбить на следующие этапы:

  • 1) физический этап - определяет базовую технологию изготовления МПр, в т.ч. материал и способ изготовления;
  • 2) схемотехнический этап - осуществляется разработка логической и принципиальной электрической схемы будущего МПр;
  • 3) топологический этап - проектирование размещения конкретных компонентов или приборов в объеме кремниевой подложки с учётом оптимизации связей и цепей как внутри каждого слоя, так и между слоями;
  • 4) программный этап (для МПр) - включает разработку программного обеспечения, реализующей требуемые вычислительные и логические функции;
  • 5) конструктивный этап - исполнение микросхемы (чипа) в корпусе, определение количества, типа и назначения внешних проводников для операций ввода/вывода данных.

Физический размер Мпр или ИС, будущие возможности определенным образом связаны с технологической или проектной нормой производства.

Технологическая или проектная норма производства -

это значение максимального смещения границы топологического элемента на кремниевой подложке при изготовлении транзистора. Топологический элемент - элемент микросхемы, определяемый своим трехмерным расположением в интегральной схеме, предназначенной для производства.

Производственный процесс изготовления аппаратных средств телекоммуникаций в виде интегральных схем (микросхем) можно разделить на несколько составляющих его подподпроцессов:

  • - формирование кристалла и нарезка платин кремния;
  • - формирования структур на пластине;
  • - сборка;
  • - выходной контроль.

Технологические процессы изготовления изделий в большинстве своем непрерывно-дискретные.

Непрерывные технологические процессы не могут быть прерваны до их окончания. В случае их прерывания раньше окончание процесса в большинстве случаев изделие уходит в брак. Например, аварийное отключение печей при проведении диффузионных процессов практически приводит к браку всей партии пластин.

Дискретные технологические процессы разделяются на отдельные операции. Эти процессы можно останавливать на определенное для каждого процесса время и после некоторого перерыва можно продолжать далее. Последствия такого перерыва в ходе процесса практически не отражаются на качестве изготовляемых изделий.

Технологический процесс изготовления ИС также принадлежит к непрерывно-дискретному, так как состоит из двух самостоятельных непрерывно-дискретных процессов изготовления полупроводниковых кристаллов со структурой ИС и их сборки. Изготовление структуры на кристалле включает непрерывные и дискретные процессы химической обработки пластины, процессы диффузии, литографии, напыления алюминия, разделения пластин на кристаллы. Каждый из этих процессов включает ряд технологических и контрольных операций (см. рис. 1.9).

Последовательность технологических операций при изготовлении ИС на пластине кремния с диэлектрической

Рис. 1.9 - Последовательность технологических операций при изготовлении ИС на пластине кремния с диэлектрической

изоляцией

Технологические метод обработки могут быть групповые и индивидуальные. Как правило, технологические процессы, связанные с обработкой пластин, являются групповыми, сборочные операции (пайка кристалла на основание корпуса, приварка внутренних выводов, герметизация и др.) - индивидуальные.

Современные технологические процессы изготовления ИС очень сложны. Анализ процессов изготовления показывает, что они проводятся при температурах, изменяющихся в диапазоне от

- 100°С (криогенное травление) до +1100°С (окисление, диффузия, отжиг после ионной имплантации и др.), при давлении от атмосферного до КГ7 мм.рт.ст. Столь широкие диапазоны вызваны необходимостью проведения с исходными материалами различных физических и химических процессов для получения структур ИС с удовлетворяемыми техническими характеристиками.

Исторически первыми (в середине шестидесятых годов прошлого века) были разработаны гибридные ИС. В этих схемах пассивные элементы (резисторы, конденсаторы) и все соединения изготавливаются из пленок различных материалов, нанесенных на диэлектрическую подложку, а в качестве активных элементов применяются бескорпусные или в малогабаритном корпусе полупроводниковые приборы и ИС. Гибридные БИС позволяют создавать целые электронные устройства, которые практически невозможно создавать в монолитном исполнении.

Преимущества гибридно-пленочной технологии заключаются в высокой гибкости, т.е. в возможности выбора различных материалов и методов изготовления пленочных элементов, сравнительной простоте разработки и изготовления большинства схем в гибридном исполнении. К основным недостаткам гибридных БИС относятся: меньшая, чем у монолитных БИС, плотность упаковки элементов, которая приводит к увеличению размеров и массы БИС, меньшая надежность из-за сравнительно большого числа сварных соединений.

При изготовлении гибридной схемы сначала создают соединения, для чего напыляют или наносят каким-либо другим способом полоски алюминия, серебра или золота. После этого напыляют сопротивление из тантала, хрома или специальных сплавов. Выбирая соответствующий материал, его толщину и площадь, подбирается необходимый номинал резистора. Необходимо отметить, что сопротивление резисторов можно «подгонять» до необходимой величины частичным удалением резистивной пленки. Таким образом, эти резисторы позволяют получить непрерывную шкалу номиналов. Для изготовления конденсатора напыляется металл, затем диэлектрик и снова металл. Как и резисторы, пленочные конденсаторы имеют непрерывную шкалу номиналов емкости. Пленочные резисторы изготавливаются из материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением и низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС): хрома, нихрома, тантала, металлокерамики, специальных проводящих красок на основе углерода и др. Обычно пленочные резисторы имеют прямоугольную форму, а также в виде меандра. Для получения стабильных пленочных сопротивлений толщина пленки берется 0,01... 1 мкм. Очень тонкие пленки (0,005 мкм) значительно изменяют свои параметры в процессе изготовления и эксплуатации схемы. Кроме того, последующее воздействие воздуха вызывает поверхностное их окисление, которое приводит к изменению сопротивления. В более толстых пленках это окисление сказывается меньше. Однако пленки толщиной более 1 мкм не обеспечивают достаточно прочного сцепления с подложкой. С целью повышения сопротивления резистора его выполняют в виде соединенных друг с другом многочисленных элементарных одинаковых участков Г-образной или П-образной конфигурации, которые повторяют до тех пор, пока не будет получено необходимое сопротивление, что показано на рис. 1.10.

Пленочный резистор

Рис.1.10 - Пленочный резистор

Как и полупроводниковые ИС, гибридные ИС на заключительном этапе подлежат корпусированию. Перед герметизацией контактные площадки платы гибридной схемы соединяются с помощью проволоки с контактными площадками выводов корпуса, проволочные выводы развариваются или напаиваются к контактным площадкам.

Тенденция такова, что количество элементов на единицу площади кристалла МПр, а технологическая норма производства - уменьшается. Это связано с тем, что конструкция, функции и возможности МПр постоянно совершенствуются и развиваются. При этом изменяется и площадь кристалла МПр. В частности, для МПр Intel при технологической норме в 90 нм площадь кристалла МПр составляла в среднем 120...200 мм2 (до 230 миллионов транзисторов на кристалл); при технологической норме 65 нм площадь кристалла составляла в среднем 80... 140 мм2 (до 580 миллионов транзисторов на кристалл); при технологической норме 32 нм площадь кристалла составляет в среднем 80.. 110 мм2 (до 800 млн. транзисторов на кристалл).

Уже сейчас расстояние между транзисторами на кристалле МПр составляет одну десятитысячную толщины человеческого волоса. По точности изготовления современные транзисторы соотносимы с тем, чтобы провести автомобиль по прямой, длиной в 650 км с отклонением от оси менее 2,5 см (по данным компании Intel). Процент годных МПр в лучшем случае составит 85% от общего числа на пластине.

Характерно в этой связи наличие эмпирического «закона Мура». Гордон Мур, один из основателей компании Intel (США) предположил, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца (скорректированное утверждение, сделанное в 1979-1980 г.г.). Этот «закон» с определенными оговорками, поправками и уточнениями в целом оказался справедлив, хотя существует и критика некоторых утверждений Мура. Кроме того, рост производительности МПр не всегда напрямую зависит от количества и сложности транзисторов на кристалле МПр.

Монтаж и соединение аппаратных средств обычно осуществляется с помощью печатных плат (printed system board, РСВ). На рис. 1.11 показан пример печатной платы:

Пример реализации печатной платы

Рис. 1.11 - Пример реализации печатной платы

Печатная плата бывает односторонней и двухсторонней, т.е. другими словами микросхемные элементы (аппаратные средства) могу монтироваться как с одной, так и с двух сторон.

Многослойная печатная плата имеет следующий вид (см. рис. 1.12.)

Многослойная печатная плата в разрезе

Рис. 1.12 - Многослойная печатная плата в разрезе

Здесь наружные верхние (top) и нижние (bottom) металлические слои (metal) перемежаются внутренними (internal) металлизированными слоями, между которыми находятся слои изоляции (insulation).

Основные выводы по главе

  • 1
  • 1. Глобальная информационная инфраструктура обеспечивает каждому гражданину доступ к глобальным информационным ресурсам. Для этого применяются средства связи, в состав которых входят аппаратные средства.
  • 2. Аппаратные средства телекоммуникационных систем производятся в виде отдельных микросхем (вентилей) или в виде стандартных или заказных (ASIC) интегральных схем, в том числе микропроцессоров. В телекоммуникационных системах широкое распространение получили ПЛИС.
  • 3. Процесс изготовления интегральных схем для аппаратных средств телекоммуникация является сложным и длительным процессом, включающим 5 этапов и более 250 видов технологических операций.

Вопросы для самоконтроля по главе

  • 1
  • 1. Дайте определение понятию «глобальная информационная инфраструктура».
  • 2. Какие технологии переноса сигнала электросвязи используются на транспортных сетях?
  • 3. Дайте определение понятия «протокол обмена», приведите примеры протоколов.
  • 4. Дайте общее определение понятию «Глобальная информационная инфраструктура».
  • 5. Какие функции выполняют аппаратные средства в информационных устройствах ГИИ?
  • 6. Что такое программируемая логическая интегральная схема?
  • 7. В чем особенности технологии FPGA?
  • 8. В чем разница между ПЛИС PLA с простой логикой и CLPD со сложной логикой?
  • 9. Каковы основные процессы производства интегральных микросхем?
  • 10. Что такое печатная плата, для чего она используется?
  • 11. Что такое многослойная печатная плата?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >