15-03-2022

Разработка металлокерамических корпусов в АО «ЗПП» с использованием САПР

Шугаепов Ш., Ермолаев Е., Егошин В., Решетников А.

АО «Завод полупроводниковых приборов» (АО «ЗПП») начал выпускать металлокерамические корпуса для интегральных схем (ИС) уже в конце 1970‑х годов. С 2009 года ведется перевооружение производственно‑технической базы на предприятии с целью выйти на один уровень с ведущими мировыми производителями. Этой цели было бы трудно достичь, не обновив работу конструкторских и технологических бюро предприятия. В статье рассказывается о разработке металлокерамических корпусов с использованием САПР, а также приводятся примеры изделий, созданных в АО «ЗПП».

Требования к корпусам для ИС изменились в последние годы, потребность в электронных приборах со сложной конструкцией и необходимость уменьшения размеров микросхем привели к появлению новых требований к корпусам: 

•  установка в один корпус нескольких кристаллов – микросборки; 
•  установка на корпуса дополнительных пассивных элементов; 
•  предъявление к проводникам требований по скорости передачи сигнала; 
•  минимизация габаритных размеров и максимальное увеличение функциональной нагрузки и др.

Повысились требования к скорости разработки, минимизации ошибок на этапе проектирования, а также к функциональной безопасности изделий.

Имеющиеся на 2009 год на предприятии САПР не позволяли надежно выполнить все эти требования. С конца 2000‑х годов мы начали поиск САПР, которые обеспечили бы выполнение всех необходимых для нас основных требований: 

•  разработка топологии с возможностью задания правил проектирования;
•  импорт конструктива подложки / корпуса из DXF-файла; 
•  редактор стека слоев, калькулятор импеданса; 
•  индикация имени цепи на проводнике, полигоне и выводе; 
•  поддержка трассировки дифференциальных пар; 
•  автоматическая «доводка» связей; 
•  возможность использования формул для задания правил выравнивания по длине; 
•  электрические правила и ограничения (задержки, перекрестные помехи и др.); 
•  учет задержек в переходных отверстиях; 
•  контроль прохождения проводников над прорезями в полигонах; 
•  экспорт файлов DXF, ODB++, PDF; 
•  трассировка сигналов группами; 
•  динамические полигоны с автообновлением; 
•  создание и редактирование 3D‑стека для быстрой сборки и оптимизации стека; 
•  проектирование проволочных соединений с разными слоями подложки, а также сборка нескольких чипов в одну «этажерку»; 
•  автоматическое выравнивание задержек распространения сигнала; 
•  динамический контроль фазы сигнала; 
•  наборы правил для DFM / DFA.

Таким образом, рассматриваемый программный продукт должен повысить скорость и качество разработки корпусов для изделий микроэлектроники, обеспечивая разработчиков современными инструментами прототипирования, верификации и тестирования СБИС.

Кроме того, потребность в увеличении скорости создания изделий требовала запараллелить процессы разработки чипа, корпуса, платы и изделия. Также возникла сложность совместимости механических и электрических САПР.

Так как АО «Завод полупроводниковых приборов» обладает полным циклом изготовления металлокерамических корпусов (от приготовления материала до конечного изделия) и работает со многими потребителями и поставщиками услуг, а также учитывая, что на смежных предприятиях внедрены разнообразные САПР, мы не смогли остановиться на выборе какого‑то определенного продукта. Нам пришлось освоить несколько САПР, позволяющих закрыть все наши текущие задачи.

Совместно с компанией ООО «Инженерные решения» ведутся работы по математическому моделированию топологии корпусов микросхем, печатных плат и систем в целом. Проводится анализ распределения токовых нагрузок и падений напряжения, с учетом теплового состояния электронного модуля. Оцениваются создаваемые электронным модулем электромагнитные излучения (ЭМИ), оптимизируются системы питания для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Верифицируется целостность сигналов высокоскоростных интерфейсов (DDR / LPDDR – 3 / 4 / 5, PCIe gen. 2 / 3 / 4 / 5, SATA, USB, SPF+, Gigabit Ethernet, 10GBase и др.).

Основная идея нашего сотрудничества заключается в том, что мы с нашими заказчиками создаем дополняющие инженерные команды. Такой подход позволяет обеспечивать высочайший уровень компетенций при реализации самых сложных проектов.

Рис. 1. Типовой канал интерфейса USB 3.0 Host‑ TX

 

АО «ЗПП» совместно с компанией ООО «Инженерные решения» проводила верификацию корпуса с интерфейсом USB 3.0. Для исследования был взят типовой канал передачи данных (рис. 1 и 2).

Рис. 2. Типовой канал интерфейса USB 3.0 Host‑ RX

 

В процессе расчета вместо типовых моделей корпуса (Pkg) микросхемы были использованы модели S‑параметров извлеченных дифференциальных пар. На рис. 3 показана модель типового корпуса для представления об объекте исследования.

Рис. 3. Модель типового корпуса

 

Расчеты полного канала передачи данных показывают, что без дополнительных тонких настроек временные диаграммы (рис. 4 и 5) обладают определенным запасом.

Рис. 4. Временная диаграмма в режиме Host‑ TX,  скорость передачи данных 5 Гбит / с

 

Рис. 5. Временная диаграмма в режиме Host‑ RX,  скорость передачи данных 5 Гбит / с

 

В результате проведенного исследования можно сделать вывод о возможности применения спроектированного корпуса в изделиях с учетом верификации полного канала передачи данных.

Рис. 6. Габаритный чертеж корпуса МК 8317.783‑1

 

Рис. 7. Габаритный чертеж корпуса ЯЛГК.301176.305

 

Рис. 8. Габаритный чертеж корпуса МК 5165.44‑1

 

Приведем также для примера чертежи и характеристики нескольких корпусов, разработанных в АО «ЗПП» (рис. 6–8, табл. 1, 2).

 

Таблица 1. Характеристики металлокерамического корпуса МК 8317.783–1

 

Таблица 2. Характеристики металлокерамических корпусов ЯЛГК.301176.305 и МК 5165.44‑1

 

На данный момент, благодаря техническому перевооружению и новым освоенным САПР АО «Завод полупроводниковых приборов» может проводить разработку на уровне мировых лидеров и поставлять первые партии изделий в срок от трех месяцев.

 

Ш. Шугаепов ¹, Е. Ермолаев ², В. Егошин ³, А. Решетников ⁴

Статья впервые опубликована в журнале "ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ" № 3 за 2022 год.

_________________________________________________________________________________________________________________________________

 

Понравилась статья? Поставьте лайк 0

---

Электроника