Базові матричні кристали

Проектування та виготовлення БІС / НВІС – дуже дорогий процес, тому їх виробництво економічно виправдане лише при великій серійності. В той же час можливості інтегральної схемотехніки дозволяють у вигляді однієї мікросхеми виконати ціле пристрій. Базові матричні кристали (БМК) з’явилися тим засобом, на основі якого при порівняно низьких витратах стало можливим виконання спеціалізованих пристроїв у вигляді БІС / НВІС. БМК являють собою сукупність регулярно розташованих на напівпровідниковому кристалі осередків, кожна з яких містить типовий набір елементів – транзисторів, резисторів. Такий кристал є напівфабрикатом, який виробляється в масових кількостях без орієнтації на конкретного споживача. Щоб на його основі було отримано конкретний пристрій, необхідно виконати необхідні з’єднання елементів і осередків. Виконання з’єднань здійснюється на заключних етапах виготовлення, а проектування пристрою, таким чином, зводиться до створення малюнка межсоединений. Для спрощення процесу проектування є бібліотеки готових рішень. Кожне готове рішення пропонує певний варіант межсоединений елементів усередині осередку, що дозволяє на базі однієї або кількох осередків отримати готовий функціональний вузол – логічний елемент, тригер і т.п. Проектування пристрою зводиться до вибору готових вузлів і трасуванні з’єднань між ними. Такі БІС / НВІС називаються полузаказних. Природно, що процес проектування і виготовлення такої мікросхеми значно дешевше, ніж розробка та виготовлення оригінальної БІС.

Спочатку структура БМК представляла собою матрицю осередків, званих базовими, які розташовувалися в центральній області кристала і були ізольовані один від одного (рис. 4.32, а). Області кристала, не зайняті осередками, служили для виконання з’єднань між осередками – трасування каналів. Така структура називається канальної. У канальних БМК великі можливості по створенню зв’язків, але низька щільність упаковки з-за значних витрат площі кристала на області межсоединений. Ця структура характерна для БМК, виконаних за біполярної технології, так як біполярні елементи, на відміну від КМОП-елементів, володіють порівняно високою потужністю розсіювання.

На відміну від БМК з канальної структурою у БМК з біс-канальної структурою (рис. 4.32, б) вся внутрішня область кристала заповнена осередками. У цьому кристалі будь-яка область може бути використана як для створення логічної схеми, так і для створення межсоединений. Безканальні БМК характерні для КМОП-схемотехніки, в якій мала потужність розсіювання базових осередків дозволяє досягати високої щільності упаковки. Безканальні БМК реалізуються у варіантах «море вентилів» і «море транзисторів». Перший містить масив закінчених логічних елементів, другий – масив транзисторів. Так як в безканальних БМК положення трасувань каналів і осередків не є жорстким, і при проектуванні конкретної БІС площа кристала може розподілятися між трасувальні каналами і функціональними осередками, втрати площі кристала знижуються. Наприклад, в БМК, що містить масив транзисторів, в деяких рядах реалізуються логічні елементи,

а інші ряди використовуються під трасувальні канали, в них транзистори залишаються нескоммутірованнимі і над ними проходять траси.

Внутрішня область кристала Безканальні БМК оточена периферійної областю, розташованої по краях прямокутної пластини БМК. Осередки в периферійній області відрізняються від базових осередків внутрішньої області. Вони призначені для вирішення завдань введення / виводу сигналів, тому вони містять набір спеціальних елементів і контактні площадки, через які здійснюється підключення кристала до зовнішніх контактів мікросхеми.

Можливості БМК багато в чому визначаються числом шарів межсоединений (нині це 2 * 6). Багатошаровість полегшує трасування і дозволяє виготовляти БМК більш високого рівня інтеграції. У найпростішому випадку двошарової трасування на нижньому рівні виконують з’єднання всередині базових осередків і зв’язку по вертикальних каналах. Цей шар роблять або у вигляді дифузійної області самого кристала, або у вигляді металевих доріжок. Другий шар металізованих з’єднань дає розводку горизонтальних трас і обслуговуючих ліній.

Зростання рівня інтеграції веде до можливостей реалізації на одному кристалі все більш складних пристроїв і систем. Це породило блокові структури БМК. Такі БМК містять як блоки логічної обробки даних, так і пам’ять або інші спеціалізовані блоки. Кожен з таких блоків являє собою як би «міні» -БМК. Між цими блоками розташовуються трасувальні канали. На периферії блоків виготовляють внутрішні буферні каскади для формування досить потужних сигналів, що забезпечують передачу сигналів по міжблочні зв’язків, які мають відносно велику довжину.

Посилання на основну публікацію