門陣列設(shè)計方法

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯門陣列設(shè)計方法 集成電路產(chǎn)品分為兩種形式，即標(biāo)準(zhǔn)化系列產(chǎn)品 ( 標(biāo)準(zhǔn) IC) 和定制型產(chǎn)品 ( 定制 IC) 標(biāo)準(zhǔn) IC 是指目前市面上流行的諸如 74 系列 TTL ， 74 系 列 CMOS 和 10K 或 100K 系列 ECL 等產(chǎn)品長期以來， 這類 IC 被用來組裝各種機器系統(tǒng)，它們具有價格便 宜、測試便利、研制組裝中小型機器系統(tǒng)敏捷。便于 維護、生產(chǎn)和更換筍優(yōu)點但是其致命的缺點是性能 差，體現(xiàn)在速度、功耗、體積及牢靠性等方面因 此，標(biāo)準(zhǔn) IC 已不能滿意日益進展的高速大型機器系統(tǒng) 對 LSI 電路的需要。 定制型 IC 實質(zhì)上是討論在晶片上的組裝

2、技術(shù)，它把標(biāo) 準(zhǔn) IC 大量的外引線變成內(nèi)引線，從而實現(xiàn)高密度的組 裝；例如， MCA2500 門陣列器件與用標(biāo)準(zhǔn) IC 裝焊的相 應(yīng)系統(tǒng)進行比較，密度提高了 700 倍，功耗下降到 1 12 定制型 IC 又稱專專用集成電路 (ASIC) ，它是 IC 生 產(chǎn)廠家按用戶的特別需要研制生產(chǎn)的產(chǎn)品，具有高度 保密性，不易被抄襲和仿制最早消失的定制型產(chǎn)品 是全定制 IC ，是廠家特地為用生產(chǎn)的專用 LSI 或 VLSI 電 路，具備電路系統(tǒng)的最佳性能，如體積小、速度快、 功耗低、牢靠性高等但研制周期長 ( 有的長達 12 年 ) 。并且當(dāng)品種多和批量小時，研制費用非常昂貴。 于是，就導(dǎo)致了半定制產(chǎn)

3、品的消失。 半定制 IC 是指由 IC 生產(chǎn)廠家大批量生產(chǎn)的半成品芯 片，而最終幾道布線互連工序按用戶的特別需要進 行，這就很好地解決了大規(guī)模生產(chǎn)和小批量需要之間 的沖突既滿意了用戶對電路性能的特別需要，又達 到了生產(chǎn)周期短、成本低的目的特殊是引進了計算 機幫助設(shè)計工具 (CAD) 后。進一步縮短了設(shè)計生產(chǎn)周期 ( 設(shè)計開發(fā)葉間一般為飛一 4 周 ) ，并有效地解決了設(shè)計 可行性和產(chǎn)品可測性的問題，使半定制 IC 成為實現(xiàn)用 戶專用 LSI 電路的有效途徑半定制 IC 包括數(shù)字陣列和 線性陣列。數(shù)字陣列中又分為門陣列 (Gate Array) 、標(biāo) 準(zhǔn)單元 (Standard Cell) 和可

4、編程規(guī)律器件 (Programmable Logical Devices) 門陣列概述 門陣列是定制 VLSI （ Very Large Scale Integration) 的一個重要分支。門陣列的應(yīng)用掩蓋 了從高性能計算機到工業(yè)掌握、儀器儀表、通 訊、航空航天和軍事等各方面，現(xiàn)在門陣列方法 已成為電子工業(yè)的主力。 門陣列以其多品種、小批量和非重復(fù)性開發(fā)為支 配因素優(yōu)于全定制方法下面通過硅片制做過程 的流程圖來了解門陣列的生產(chǎn)過程和門陣列的概 念 該圖是經(jīng)過加工的 晶片 ( Wafer ) ，它含 有許多管芯 ( Die ) ， 如圖中的小矩形方 塊所示。將一個管 芯從晶片上切割下 來，封裝

5、后即成為 集成電路，被封裝 的管芯也稱為芯片 ( Chip ) 管芯由導(dǎo)電層、半導(dǎo)電層和非導(dǎo)電材料層構(gòu)成，這些層用來 形成管芯的有源元件和無源元件每一層上元件的幾何尺寸 由掩膜確定晶片上的每一層對應(yīng)于一個掩膜，掩膜上有每 個管芯的重復(fù)圖案，因此全部管芯的加工是同時進行的。上 述過程適用于任何集成電路的生產(chǎn)，不管是數(shù)字的或是摸 擬，也不管是門陣列或其他形式的 IC 。 圖 2-1-2 是晶片加工的示意圖。紫外光通過一張掩膜板在晶 片上形成一個圖形。這個圖形限制諸如雜質(zhì)的參入途徑，氧 化層和金屬層刻蝕方位等加工過程。當(dāng)做完一層后，紫外光 又通過另一張掩膜板在晶片上形成另一個圖形，如此重復(fù)， 直到預(yù)

6、期的生產(chǎn)周期全部結(jié)束。 晶片測試、切割并封裝好管芯。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) IC 和可編程 IC 制 成成品或半成品。 門陣列與標(biāo)準(zhǔn) IC 之間的一個重要區(qū)分是門陣列作成半成品， 最終的金屬布線層由定制人員設(shè)計，形成用戶專用掩膜板， 再將半成品定制成滿意用戶要求的功能器件。不同的掩膜板 圖形是各不相同的，而且圖形之間必需嚴(yán)格地相互關(guān)聯(lián)。 門陣列定義 門陣列是一種最典型、應(yīng)用最早、應(yīng)用最廣泛的半定制設(shè) 計方法采納門陣列方法時，集成電路制造廠家首先設(shè)計 制造出由很多相同的、有規(guī)章排列且相互間沒有連接起來 的單元電路組成的半成品芯片，稱之為 “ 母片 ” 。然后， IC 生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶的要求，進行結(jié)構(gòu)和規(guī)律設(shè)計

7、，通過合 適的掩膜確定管芯的金屬化層，將母片上的各單元電路連 接起來，形成具有指定功能的數(shù)字系統(tǒng)。 門陣列管芯是有規(guī)章排列的晶體管或其它元件，通用的輸 入輸出 (I/O) 單元以及有關(guān)焊接點的集合門陣列的特點是 具有大量的潛在內(nèi)部連接點，保證了設(shè)計者能采納不同的 元件互連方案來完成電路設(shè)計 門陣列芯片中的元件分為有源元件和無源元件。有源元件是晶體管、 二極管；無源元件則包括電阻、電容、集中或多晶硅形成的 層下通道 （ 0nderpass) 、連接點、焊點、電源和地總線等。通過對這些元件進 行布線互連來完成電路設(shè)計。 門陣列大致可分為兩類，即中、高速門陣列。前者主要用于通用規(guī)律 的替換，比如說通

8、過替換一塊由 SSI MSI 集成電路組成的印制板來 降低生產(chǎn)成本。后者則用于計算機主機和微型機的生產(chǎn)，由于通過利 用 ECL 工藝可使門延時小于納秒級，另外，門陣列潛在的應(yīng)用領(lǐng)域是 用于高速數(shù)字信號處理。 門陣列的其它名稱，如不約束的規(guī)律陣列 (ULAS ： Uncommitted Logic Arrays) 、可結(jié)構(gòu)化門陣列 (CGAS ： Configurable GateArrays ) 、母 片法 ( Master Slices ) 和規(guī)律陣列等， Motorola 公司則使用宏單元陣列的 名稱 ( Macrocell Array ) 來表明用戶只能用宏單元，而不能用分別的晶體 管來

9、設(shè)計門陣列。 門陣列的生產(chǎn)流程圖， 門陣列的結(jié)構(gòu) (1) 塊單元方法每個單元以有規(guī)章的間距按二維矩陣排列單元之 間的空隙用作單元內(nèi)部連接的通道，這些通道分為垂直通道和水平通道 (2) 行單元方法在這種狀況下，各個單元背靠背地沿水平方向或垂 直方向排列，行與行或列與列之間留有較寬的間隙，用作單元之間的內(nèi)部 連接通道 (3) 鄰接單元法這里，每個單元緊密鄰接，相互間不預(yù)留布線通 道各單元間的相互連接是通過利用單元內(nèi)部預(yù)留的空隙以及芯片上未加 以利用的單元來實現(xiàn)的，在設(shè)計各單元的結(jié)構(gòu)時應(yīng)作到這一點 在上述三種結(jié)構(gòu)中，芯片的四周是輸入輸出接口單 元這些輸人輸出功能包括電平轉(zhuǎn)換、三態(tài)門輸出，集 電極開路

10、型輸出、施密特觸發(fā)器、振蕩器、單穩(wěn)態(tài) ， 觸 發(fā)器等。一般來說，前兩種結(jié)構(gòu)允許單元間的自動布線， 布線分兩層進行，兩層的走線相互垂直假如一層是金屬 層，則另一層是具有層下通道或連接點形成的擴 散或多晶 硅層若采納另一種布線方法，則兩層均為金屬布線層， 其間帶有接觸孔 或通道以進行層問互連塊單元結(jié)構(gòu)的布 線通道占用了較大的芯片面積，芯片利用率刁但其布線難 度較大，對 CAD 軟件要求較高方面有較好的折衷 (a) 如何使用兩層金屬層進行布線：下層（點劃線）只在垂直方向布線；而上層 （實線）只在水平方向布線 (b) 在芯片上預(yù)定的位置設(shè)置多晶硅或集中層下通道，這些通道用來完成上下兩 層的互連走線。實

11、線為金屬線，小方塊直通下層的連接孔。 宏單元 門陣列的最初形式是以簡潔的門作為基本單元假如要生產(chǎn)種類 繁多、功能簡單的規(guī)律部件，以門為基本單元的陣列限制了規(guī)律 設(shè)計的敏捷性及門的利用率，從而限制了集成度的提高。 宏單元 (Macrocell) 陣列的消失是門陣列的擴充，其芯片陣列上的 單元不是門而是一些互不相連的晶體管和電阻。宏單元陣列雖然 設(shè)計周期比門陣列長，卻為用戶供應(yīng)了更大的設(shè)計敏捷性，實現(xiàn) 更多樣、簡單的功能集成，提高元件利用率，減小器件體積。 引進宏單元的概念后，用戶有可能把整個機器系統(tǒng)設(shè)計在單一晶 片上。所謂宏單元實際上是預(yù)先定義好的規(guī)律功能塊，即預(yù)先確 定好晶體管間互連、執(zhí)行肯定

12、規(guī)律功能、并可重復(fù)使用的單元。 宏單元庫中保存有由生產(chǎn)廠家商定好的各種規(guī)律功能塊。 如 Fairchild 公司的 FGE 系列和 Motorola 公司的 MCA2500 宏單元 庫中都有 80 多種 SSI MSI 規(guī)律功能塊用戶只要把自己要設(shè)計 的機器電路系統(tǒng)進行規(guī)律劃分 ( 又稱宏定義 ) ，將其分解成宏單元 庫中現(xiàn)有的規(guī)律電路塊，并支配在適當(dāng)?shù)奈恢?。計算機自動生 成宏單元內(nèi)部互連圖，使其構(gòu)成相應(yīng)的功能部件 ( 如觸發(fā)器、累 加器等 ) ，再自動生成宏單元之間的互連圖，生產(chǎn)出所需的 VLSI 電路 依據(jù) 宏單元 功能的簡單程度的不同，一個宏單元可由 1/4 、 1/2 、幾個或幾十個

13、基本單元 組成例如 MCA2500 宏單元庫 中， M200( 五輸人或或非 ) 由 1/4 基本單元組成； M281( 全加器 ) 由一個基本單元組成基本單元中的 元件 ( 電阻，三極管等 ) 。 基本單元所包含的元件數(shù)，各廠家有不同的規(guī)定，但其設(shè)計宗 旨是以最少的元件實現(xiàn)盡可能多的品種組合，完成盡可能簡單 的功能，并使內(nèi)部單元利用率最佳如 FGE2500 陣列，內(nèi)部單 元包含 26 個晶體管和 16 個電阻，可完成諸如 4 輸入 “ 或非 ” 門， 4:l 多路轉(zhuǎn)換器，帶復(fù)位和清 0 輸入端的 D 型主從觸發(fā)器等簡單的 規(guī)律功能。 “ 單元 ” 這個術(shù)語，有兩重不同的含義。一是表示門陣列中一組 有源元件 ( 如晶體管等 ) ，稱為陣列單元；二是表示功能