Чип идей ч2

По заказу покупателя

Модуль финишных операций изготовления микросхем представляет собой наиболее обширную гермозону. В ней размещено оборудование, позволяющее выполнять следующие виды работ:

Наиболее сложная и дорогостоящая часть этого модуля – тестер БИС, представляющий собой электронное программно управляемое устройство, настраиваемое на контроль БИС с произвольной выполняемой функцией. Файл тестового контроля формируется в процессе проектирования БИС на БК и содержит сведения о назначении каждого контакта, информацию о входных тестовых воздействиях и эталонных выходных реакциях микросхемы. В процессе тестирования на контролируемую интегральную структуру в определенные программой моменты времени подаются входные воздействия, выходные реакции синхронно считываются и сравниваются с эталонными значениями.

Программная настройка тестера на тип испытуемой микросхемы и отображение результата тестирования обеспечиваются на рабочей консоли тестера, использующей стандартный компьютер. Особенность рассматриваемого тестера БИС – его универсальность в части испытуемых объектов: не только контроль БК на пластине, но и финишное тестирование микросхем, которые конструктивно могут оформляться в корпуса разного типа. Поэтому тестер БИС в рассматриваемой минифабрике должен комплектоваться механическим адаптером на 256 контактов, обеспечивающим устойчивый микроомный электрический контакт между внешними контактными площадками БК и вводами тестера, а также контактирующими (зажимными) устройствами для каждого типа используемых корпусов микросхем. Как показал опыт работы на минифабрике Lasarray, инженер-оператор тестера должен владеть инструментом проектирования БИС, так как при отработке опытных образцов микросхем необходима оперативная отработка замечаний проектировщика, которая требует коррекции тестов, а зачастую внесение оперативных изменений в сам проект.

Меньшей квалификацией может обладать техник, отвечающий за операции скрайбирования и упаковки кристалла БИС в корпус. Для этого модуль оснащается стандартным устройством резки пластин на отдельные БК и установкой термокомпрессии. С целью снижения стоимости оборудования используются варианты ручного выполнения этих операций. В третьей гермозоне выполняются работы, требующие меньшей чистоты помещения по классу ИСО-8 (Р8-100000). Однако важна электростатическая защита от пробоя кристаллов БИС разрядом статического электричества. К третьей гермозоне примыкают два шлюза с воздушным душем. Один из них является входным, он соединен с внешним пространством, второй – проходной в гермозону «мокрых процессов».

Важно отметить, что фирма Lasarray стремилась к уменьшению затрат при пуско-наладке своей минифабрики и снижению расходов по ее эксплуатации у конечного пользователя. Поставка минифабрики Lasarray осуществлялась в контейнерном исполнении автотранспортом. Особых требований к помещению, где монтировался контейнер, не предъявлялось. Все оборудование минифабрики, включая инженерное обеспечение, предварительно было отлажено у изготовителя. Пуско-наладочные работы проводились силами четырех-пяти специалистов и занимали около двух недель. В поставку был включен комплект фильтров, расходных материалов, пластин-заготовок, который давал возможность покупателю освоить работу на минифабрике, изготовив БИС по нескольким собственным проектам. Это поддерживалось курсом обучения, информационными материалами, оперативным консультированием. Непосредственная работа в гермозонах осуществлялась четырьмя инженерно-техническими специалистами. Пять рабочих мест проектировщиков позволяли вести интенсивную разработку группе из шести инженеров-схемотехников. Такую организацию пуско-наладочных и штатных работ на минифабрике целесообразно использовать в случае развертывания СРП БИС.

Недостаток мини-фабрик с непосредственным экспонированием подложек микросхем – малая производительность по сравнению с типовым микроэлектронным производством БИС. Для устранения этого недостатка в системе DWL 2.0 предусмотрены возможности изготовления фотошаблонов путем лазерного экспонирования заготовки и ее дальнейшей химической обработки. Что может быть рекомендовано в СРП БИС для проектов с требуемым количеством микросхем более одной тысячи. В таком случае опытные образцы БИС изготавливаются на мини-фабрике, испытываются, корректируются в случае необходимости, после чего лазерным экспонированием делается фотошаблон для формирования верхнего слоя металлизации БК. Готовый шаблон и файл тестового контроля БИС передаются на микроэлектронное предприятие – изготовитель БК для серийного выпуска.

Затраты и прибыль

Производство масок на лазерной установке открывает новые сферы применения минифабрики в разработке электронных изделий:

Опытная эксплуатация минифабрики Lasarray выявила полную зависимость ее функционирования от заданного типа расходных материалов: пластин-заготовок, фоторезиста, проявителя, фильтров воды и воздуха и т. д. Для минифабрики СРП БИС необходима тщательная проработка ее инженерного и технологического обеспечения, которая должна свести к минимуму импортные и ненадежные источники поставки упомянутых материалов.

Помимо анализа технических возможностей, необходима оценка затрат на реализацию СРП БИС. В качестве прототипа фабрики СРП БИС рассмотрим соответствующее изделие фирмы Lasarray, цена которого при продажах в 1990 году составляла 4,2 миллиона долларов. С учетом изменения покупательной способности доллара США стоимость минифабрики Lasarray сегодня можно оценить в 8,4 миллиона. Примем, что стоимость разрабатываемой минифабрики СРП БИС равна стоимости прототипа. Тогда планируемая выручка от продажи первой партии из 10 минифабрик прототипов СРП БИС составит 84 миллиона долларов. Закладывая 20 процентов от выручки в прибыль, затраты на проектирование и изготовление 10 образцов таких минифабрик равны 67,2 миллиона долларов. Учитывая необходимость доработок аппаратуры и программных средств прототипа затраты на реализацию минифабрик СРП БИС можно оценить в 80 миллионов. При сохранении 20 процентов прибыли от выручки стоимость одной минифабрики СРП БИС равна 10 миллионов долларов.

Много это или мало?

Современные микроэлектронные предприятия – уникально дорогие проекты. По экспертной оценке, для открытия полного производственного цикла с проектными нормами в 22 нанометра требуемые финансовые затраты составляют 50 миллиардов долларов. Справедливы утверждения:

Решение обозначенных проблем заключается в реализации мини-фабрики, обеспечивающей изготовление разнообразных интегральных структур, включая БК, с технологической нормой 45 нанометров.

Мини-фабрика (площадь «чистых» помещений – 750 м2, общая площадь – 2500 м2, энергопотребление – 3 МВт, численность персонала – 120 человек) требует 500 миллионов на ее реализацию «под ключ».

Такой подход к снижению «чипозависимости» военной электроники, с нашей точки зрения, разумен и перспективен. Однако он не решает вопрос «отчуждения» разработчика системы от процесса материализации его задумки в интегральную структуру, а следовательно – задачу сокращения сроков разработки БИС и повышения качества их функционирования. Предлагаемая мини-фабрика идеально вписывается в концепцию развития СРП БИС в части модернизации процесса изготовления БК за счет перехода к уменьшенным технологическим нормам производства специализированных микросхем.

Есть еще один способ микроминиатюризации электронной аппаратуры, чрезвычайно популярный у российских разработчиков. Речь о программируемых логических схемах (ПЛИС). С функциональной точки зрения кристаллы ПЛИС подобны БК, отличие в дополнительном технологическом слое, введенном в структуру ПЛИС. Этот слой заполнен матрицей коммутирующих элементов, которые электрическими сигналами настраиваются на определенную, задаваемую пользователем конфигурацию. При этом сформированные на кристалле ПЛИС логические и аналоговые ячейки, соединенные посредством матрицы-конфигуратора, определяют требуемые для выполнения БИС функции. На сегодня это самая дешевая технология проектирования и интегрального исполнения блоков цифроаналоговой аппаратуры широкого применения. Вложив около тысячи долларов, можно приобрести рабочее место проектировщика на базе компьютера, включающее в себя отладочную плату, САПР, типовые библиотечные элементы, инструкции по применению.

Процесс проектирования прототипа БИС во многом сходен с программированием на языках высокого уровня. Отладочная плата служит для настройки матрицы-конфигуратора и тестирования функций, выполняемых микросхемой ПЛИС после ее прошивки. Использование ПЛИС представляет собой яркий пример «чипозависимости». Микросхемы-заготовки требуют большой компонентной избыточности, то есть высокого уровня интеграции, который достигается на производстве с субмикронными технологическими нормами. Как было показано выше, такая технология реализуется при многомиллиардных долларовых затратах, что делает маловероятным ее первоочередное внедрение в отечественную микроэлектронику. Используя зарубежные микросхемы-заготовки, следует говорить об изготовлении прототипа БИС, но не об опытных или серийных образцах БИС. Такой прототип помимо структуры, выполняющей функции БИС, несет в себе технологический слой неизвестного содержания. Есть большой риск отказа микросхемы ПЛИС при воздействии радиационного или электромагнитного излучения, а также самоуничтожения интегральной структуры по командным радиосигналам. Применение микросхем ПЛИС в разработках специальной электроники, включая военную, должно быть ограничено этапами макетирования отдельных блоков аппаратуры. При этом аппарат разработки цифроаналоговых схем на ПЛИС следует адаптировать и использовать в СРП БИС (логическое и аналоговое моделирование электрических схем, языки проектирования высокого уровня типа Verilog или VHDL, библиотечные элементы САПР).

Проведенный нами технический и стоимостной анализ инструментальных средств разработки и изготовления БИС позволяет констатировать: утверждение представителей фирмы Lasarray о рекордной (более чем на порядок) экономии средств покупателей систем типа DWL 2.0 при их желании изготавливать собственные микросхемы (добавим: при контроле всех технологических операций), остается справедливым и по сей день.

Задача для ОПК

Создание и внедрение предлагаемой системы разработки и производства БИС позволит:

Сергей Ротнов,
кандидат технических наук

Юрий Иванов,
кандидат технических наук