Рекордные гибридные схемы-многокристальные процессоры на многослойных платах

Оценка раздела:

Рекордные гибридные схемы-многокристальные процессоры на многослойных платах

- Рекордные гибридные схемы Рекордные; гибридные схемы - многокристальные процессоры на многослойных платах БГИС на полиимидных коммутационных платах БГИС на многослойных керамических платах процессор IBM 9000 процессор Amdahl 470 процессор Amdahl-Fujitsu Конструктивно-технологический вариант тонкопленочной многоуровневой разводки сиспользованием полиимидных коммутационных плат на жестком алюминиевом основании позволяет разместитьдо 120 бескорпусных цифровых БИС с 48 выводами, используя 10 уровней тонкопленочных сигнальныхпроводников шириной до 70 мкм с минимальным диаметром переходных отверстий 50 мкм. Коммутационныетонкопленочные проводники шириной 50...100 мкм, а также переходы с одного уровня на другой выдерживаютток силой до 2,5 А, платы работоспособны при низкой (77К) и сравнительно высокой (470К) температурах. Общий вид конструкции гибридной многоуровневой БИС на металлическоманодированном основании с полиимидными коммутационными платами и бескорпусными цифровымиполупроводниковыми БИС с гибкими выводами: 1 — контактные площадки внешних выводов гибридной БИС;2 — посадочное место; 3 — полупроводниковая БИС на гибком полиимидном носителе Столь же высокие результаты получены при отработке конструктивно-технологическоговарианта гибридных СБИС на основе многоуровневых керамических коммутационных плат. Основу этого варианта составляет керамическая подложка размерами 90х90х5 мм которая содержит внутрисебя сложную, но компактную сеть коммутационных проводников, шин питания и межуровневых соединений. 1 — сигнальная цепь; 2 — кристалл полупроводниковой СБИС;3 — контактная площадка; 4 — контактный шарик припоя; 5 — перераспределяющий слой;6 — у-слой сигнальных проводников, 7 — x-слой сигнальных проводников;8 — слой проводников с опорным напряжением; 9 — штыри внешних выводов гибридной БИС На лицевой верхней стороне подложки выполнены посадочные места для установкиот 100 до 133 кристаллов быстродействующих полупроводниковых СБИС на биполярных транзисторах современем переключения логических схем, входящих в эти кристаллы, около 1,1 нс. В общей сложности для присоединения этих кристаллов с жесткими выводамиметодом перевернутого кристалла на плате сформировано около 12 000 контактных площадок. На нижней стороне платы укреплены 1800 штырьковых контактных выводов, черезкоторые подается питание на кристаллы, вводятся и выводятся сигналы для связи с другимимодулями через панель. Жесткие шариковые выводы кристаллов СБИС так же, как и система штырьковыхвнешних выводов многоуровневой керамической платы, имеют вид двумерных матриц с цельюуменьшения занимаемой ими площади. Update 22.03.200 9 Честно говоря, я не надеялся когда-либо увидеть такиемикросборки вживую. Однако благодаря ветке на форуме"Отечественная радиотехника XX века", мне это удалось! Керамическая подложка содержит 33 слоя проводников; слои соединяются между собой спомощью более чем 35х10 4 сквозных контактных отверстий. Из указанного числа проводящихслоев в подложке 16 отведены под сигнальные проводники, прокладываемые по осям X или Y. Проектныенормы предусматривают расположение сквозных контактных отверстий в узлах прямоугольной сетки с шагом0,5 мм. Между соседними отверстиями можно прокладывать только одну сигнальную линию, что облегчаетмашинное проектирование системы проводников. Указанные 16 сигнальных слоев обеспечивают максимальнуюдлину соединений 320 см на 1 см2 площади подложки. В общей сложности в сигнальных слоях керамическойподложки располагается 130 м сигнальных проводников. Между каждой парой слоев X и Y располагается слойс опорным напряжением, который позволяет контролировать волновое сопротивление сигнальных линий,которое в данной конструкции равно 55 Ом. В одном из пяти верхних перераспределяющих слоев сигнал проходит к другомувертикальному проводнику и через него на поверхность к монтажной контактной площадке. Далее сигналпроходит по металлической перемычке вдоль поверхности к третьему контактному отверстию, котороеспускает его в сигнальный слой в глубине подложки. Проводник, расположенный вдоль оси X, ведет сигналк следующему контактному отверстию, от которого он проходит дальше через проводник, параллельный оси Y.Через последнее на этом пути контактное отверстие сигнал возвращается на поверхность к посадочномуместу другого кристалла, где данная цепь и заканчивается. Некоторые из сигнальных цепей выводятся нанижнюю сторону подложки, где они идут к другим модулям через цепи многослойной печатной платы.Разводка электропитания осуществляется в трех слоях в нижней части керамической подложки. Из рисунка видно, что пять верхних слоев подложки предназначены для перераспределениясигнальных линий от контактных площадок кристалла на набор контактных площадок, выходящих на поверхностьподложки и расположенных двумя рядами вдоль сторон каждого кристалла. Эти контактные площадки позволяютконтролировать гибридную СБИС с установленными на ней кристаллами. В случае необходимости с их помощьюможно изменить и схему соединений, разрушив короткий отрезок проводника на поверхности подложки,отключив любую сигнальную линию от внутренних цепей, и сделать новое соединение, проложив микропроводмежду двумя выбранными контактными площадками. Верхние перераспределительные контактные слои наиболеегусто снабжены сквозными переходными отверстиями, которые располагаются с шагом 0,25 мм. Для каждогопосадочного места кристалла сформировано 96 монтажных контактных площадок. В технологии предусмотренызамены отдельных кристаллов как при изменениях конструкции, так и при ремонте, что говорит о высокойремонтопригодности конструкции. Монтажный узел кристалла полупроводниковой СБИС 1 — кристалл СБИС; 2 — два ряда контактных площадок, электрическисвязанных через перераспределяющие слои с шариковыми выводами СБИС, 3 — перешеек между контактными площадками Электропитание распределяется по трем нижним слоям подложки: по двум поданы напряжения,необходимые для работы кристаллов, третий находится под потенциалом земли. Питание на сами эти слоиподается по параллельной схеме через матрицу контактов, равномерно расположенных по нижней поверхностиподложки. От слоев питания ток поступает прямо на соответствующие контактные площадки кристаллов черезпараллельно включенные группы сквозных контактных отверстий. Конструкция подложки позволяет подводить питание к каждому кристаллу мощностью до 4Вт, хотя не каждый кристалл работает с максимальным током; мощность питания платы ограничена науровне 300 Вт, т. е. в среднем около 3 Вт на кристалл. Эти цифры существенно перекрывают допустимыемощности рассеяния на уровне кристалла БИС и средние значения допустимой удельной мощности на платепри воздушном охлаждении. Поэтому в подобных конструкциях применено жидкостное охлаждение. Отвод тепла от кристаллов полупроводниковых СБИС через алюминиевыеподпружиненные плунжеры: 1 — плунжер; 2 — кристалл СБИС; 3 — металлическая водоохлаждаемая крышка (часть крышки с плунжерами снята);4 — канал для движения охлаждающей жидкости Крышка "отсека" в котором находился многоядерный процессор первых поколений (IBM 9000). В каждое углубление вставлялся медный плунжер (несколькоштук показано на фото), касающийся непосредственно поверхности одного кристалла из 121. Выбор материалов для такой технологически сложной конструкции, как керамическаяподложка, потребовал компромиссных решений. Основным компонентом материала подложки служит алунд(Al2O3), обладающий отличными механическими свойствами, стойкостью к химическим и термическим воздействиямпри изготовлении подложки и модуля. Главный недостаток алунда — относительно высокая диэлектрическаяпроницаемость, равная 9,4 (у полиимида она равна лишь 3,5). Именно поэтому скорость распространениясигналов в данном модуле ниже, чем на платах с применением полиимидной пленки . Однако тот факт, чтокристаллы можно устанавливать прямо на керамическую подложку, позволяет значительно сократить среднеерасстояние между кристаллами, и именно поэтому полная задержка сигналов в итоге не столь уж велика. Другое компромиссное решение было принято при выборе материала проводников для внутреннихслоев подложки. Обжиг алундовой керамики происходит при температуре 1500°С, поэтому проводники пришлосьделать из тугоплавкого металла — молибдена, удельное сопротивление которого примерно в три раза больше,чем у меди. Чтобы компенсировать этот недостаток, была увеличена плотность размещения сквозных контактныхотверстий, так что большие токи можно подавать на кристаллы по параллельным путям через группы таких отверстий. Технология многослойных керамических плат обладает большой прецизионностью: шириналиний проводников и диаметр заполняемых под давлением молибденовой пастой сквозных отверстий равны 120 мкм. Пробивка сквозных отверстий в слоях необожженной керамики, рисунок трафарета,контроль отдельных слоев подложки и проверка всех электрических цепей подложки проводятся сиспользованием системы автоматизированного проектирования. На интернет-аукционе ebay я нашел фото процессора 470 фирмы Amdahl,сделанного по подобной технологии: В 470х системах чипы были установлены в массив 6x7 на многослойных платах, которые затем устанавливалисьв вертикальных сборках. Платы имели по восемь разъемов под микро-коаксиальные кабели длясоединения компонентов системы между собой. Каждая вертикальная сборка имела, по крайней мере, три платы на каждой стороне.Она была снабжена 3 крупными вентиляторами, необходимыми для охлаждения чипов. Модели однопроцессорных систем фирмы Amdahl включали процессоры 470, версий V5, V7 и V8.V8, производство которого началось в 1980 году, имел высокоскоростной 64К кэш-буфер для повышения производительности.На нем впервые в мире на аппаратном уровне была реализована технология виртуализации,известная как "Multiple Domain Facility". Разводка обратной стороны платы, выполненная проводом, производит, конечно,сильное впечатление... На сайте Gabriel'я нашел процессор от какого-то старого (начала 80-х) мейнфрейма Amdahl, сделанный фирмой Fujitsu.Fujitsu выпускала отдельные чипы и собранные процессоры ранних версий для Amdahl, а ныне Amdahlлишь часть этой фирмы... в общем, у них достаточно запутанные взаимоотношения... :))) Процессор этот имеет необычную историю - взят из ЭВМ, подаренной (!) фирме T. Eaton Company(так гласит бирка на нем) по случаю приобретения ею мейнфрейма 5995-3550M. Фирмы тойтоже уже не существует, кстати. Время быстротечно. На задней стороне платы монтаж также выполнен проводом, что произвело наГабриэля немалое впечатление - "Overall, thinking about how many work-hours went into designing and making that board made meshudder.". В моём вольном переводе, "Мысль о том, сколько человеко-часовпотрачено на проектирование и монтаж платы заставила меня содрогнуться.". ;))) Вот еще забавный комментарий от посетителя той страницы "The back wiring wasdone in Japan because they couldn't find enough people in the US who could do it well":))) Теория взята из книги "Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров имикросборок", 1989 года издания, глава "Рекордные результаты, достигнутые при создании многоуровневой разводки"