Набрел в сети на работы человека, занимающимся схожим делом, правда на более глубоком уровне, в целях создания точного эмулятора процессора 6502 (на картинке как раз фотография этого кристалла), который заметно проще чем 80286 и задача детального разбора этого чипа выглядит более реальной, тем более что автор уже почти закончил этот процесс:
тема 2 (en)
Больше всего поразило то, что он почти везде разрисовал все вплоть до транзисторной схемы. Но правда и техпроцесс на выбранном им чипе грубее на порядок, и все структуры гораздо лучше различимы. Некоторый его опыт будет полезен и мне, так как я уже увидел похожие структуры и в своем чипе. Например на следующем рисунке приведены функционально схожие элементы в чипах 6502 и 80286, а именно матрица элементов, выполняющая преобразование одного вида сигналов в другой, например это может быть декодирование кода команды в конкретные сигналы на выходных линиях:
Сравнение внешнего вида PLA-матриц в процессорах 6502 и 80286
Здесь в обоих случаях исходная группа сигналов подается по вертикальной шине, а результирующий сигнал появляется на одной или нескольких горизонтальных линиях. В случае 80286 даже можно разглядеть характерные точки в пересечениях, которые и кодируют логику преобразования, в случае же чипа 6502 это кодирование скрыто в более глубоком слое, которое не видно на этой фотографии.
В 80286 процессоре, такие матрицы разбросаны по всему кристаллу, выполняя функции управления на местах. Некоторые из них даже на входе имеют нечто, что может быть счетчиком и таким образом сам декодер в комплекте с двоичным счетчиком может выдавать многошаговые управляющие последовательности, кодирующие исполнение некоторых многотактовых инструкций.
Следующий функциональный блок, назначение которого удалось понять, представляет собой 6-байтовую очередь предвыборки команд процессора. Причем в разных источниках эта очередь представлялась то 6-байтовой то 8-байтовой. На следующем фото видно, что очередь организована в виде трех регистров (три красных прямоугольника), данные куда загружаются из 16-битной шины, а считывание идет побайтово, через верхние линии. Причем какая половина регистра будет читаться управляется оранжевыми линиями (H/L) а какой именно регистр будет принимать или отдавать данные определяется зелеными управляющими линиями:
Физическая организация префетч-буфера предвыборки команд в процессоре 80286
Исходя из этой схемы можно сказать что никакого предварительного декодирования хранящиеся в этой очереди команды не проходят, и это действительно просто префетч-буфер, позволяющий читать команды из RAM 16-битными словами на несколько шагов вперед. Причем что интересно — регистры на самом деле не 16-битные а 18-битные! То есть к каждому байту добавлен некоторый служебный бит информации (сиреневые линии на схеме). Возможно он указывает старший или младший это байт 16-битного слова.
P. S. В развитие этой темы пару видео с ютуба по реверс-инжинирингу реальных чипов:
Reverse Engineering the MOS 6502 CPU (en)
Интересная статья в тему:
Регистры процессора Intel 8086: от чипа к транзисторам
В предыдущей статье (часть 1) я начал изучать что собой представляет микропроцессор 80286 с точки зрения схемотехники. В этой статье я продолжаю углубляться в его микро-архитектуру, рассматривая фотографию кристалла и строя предположения, опираясь на свои знания. Параллельно я отмечаю все что удалось понять на отдельном слое в фотошопе, и готов поделиться со всеми желающими результатом.
Для лучшего понимания попробуем разобраться что же мы видим за структуры, окружающие контактные площадки чипа. Для начала немного теории — посмотрим как на схеме выглядит упрощенная схема выходного элемента микросхемы. В зависимости от уровня сигнала Uвх. подающегося одновременно на затворы обеих транзисторов один из них закрывается, а через второй на Uвых. попадает потенциал VCC или VSS соответственно, что обозначает 1 или 0. Зачем вообще нужны эти транзисторы, если на выходе логической схемы и так все сигналы представляют собой 0 и 1? А затем, что эти сигналы настолько слабые, что для них даже сама дорожка на печатной плате уже является некоторой нагрузкой, не говоря уже о том, чтоб подключить один или несколько входов логических микросхем.
На следующей фотографии не трудно заметить что эти выходные транзисторы (VT1, VT2) имеют огромные размеры, по сравнению с теми, которые используются для организации логики внутри самого чипа. Правда в отличии от схемы приведенной выше, здесь мы видим, что затворы VT1 и VT2 управляются раздельными напряжениями — U1, U2. Так сделано потому, что этот пин может иметь третье состояние — Z, переходя в которое он становится способен принимать входящий сигнал (IN) направление которого обозначено зеленой стрелкой.
Что интересно — входной сигнал CLK без всяких внутренних буферов и согласований, прям так как есть — с контактной площадки пошел по всему периметру кристалла. По ходу следования ответвляясь в сторону площадок S0, S1, BHE, LOCK, M/IO, COD/INTA, куда тактовый сигнал уходит вероятно для стробирования выходных сигналов. С той же целью он подается в буферные элементы шины данных D0-D15. Замыкая круг, он возвращается к площадке CLK. Не заметил я только ответвлений к площадкам шины адреса, но далее я увидел что эти сигналы стробируются уже от главного формирователя синхроимпульсов, о котором подробнее далее.
Для синхронизации внутренних блоков кристалла сигнал CLK идет через некоторую схему, содержащую просто таки огромных размеров многоколлекторные и многоэмиттерные транзисторы. Это похоже вообще самые крупные транзисторы во всем кристалле, ведь они синхронизируют все блоки микроконтроллера и должны выдерживать очень большую нагрузку в виде тысяч элементов. Судя по фотографии этого формирователя сигналов — 4 огромных транзистора, разбитых на две пары, а также выходящие в разные стороны по паре широких проводников, рискну предположить что один из них повторяет синхроимпульсы CLK а второй делает это же в противофазе.
Я обозначил эти сигналы CLK-U и CLK-D — для верхнего и нижнего блока соответственно. На фотографии стрелками показаны направления в которых попарно расходятся эти сигналы. Суммарно площадь этих блоков составляет около 1% площади кристалла!
В даташите указано что внутри CLK делится на 2, значит CLK-U и CLK-D скорей всего работают на половинной частоте.
Время на прочтение
Все держали в руках обычный микропроцессор, но вряд ли кому-то приходило в голову разрезать его и рассмотреть под сканирующим электронным микроскопом. Это именно то, что сделал шведский учитель Кристиан Сторм (Kristian Storm) для наглядной демонстрации студентам устройства микрочипа. Фотографии просто потрясающие: качество позволяет рассмотреть отдельные слои процессора. Видимо, примерно такой процедурой пользовались советские инженеры, которые разбирали и копировали западные разработки. Примерно то же самое делается и сейчас для изучения продуктов конкурентов.
Все фото кликабельны и доступны в высоком разрешении.
Кристиан Сторм использовал процессор P-III. Для начала нужно было изъять непосредственно саму микросхему из пластикового корпуса (синего цвета), который находится в центре монтажной платы (зелёного цвета).
Как видно на обратной стороне монтажной платы, она нужна для вывода контактов с микропроцессора — от каждого контакта на процессоре идёт сигнал к отдельному штырьку на плате.
Сначала Кристиан подумал, что он сможет отделить микропроцессор нагреванием, но не добился ничего, кроме противного запаха. Тогда пришлось использовать грубую силу и вырезать соответствующий участок. С помощью щипцов и скальпеля он вытянул-таки чип, слегка повредив его в процессе (впрочем, Кристиан и так собирался разломать процессор для съёмки).
Вот что получилось в результате. На обратной стороне микросхемы под отломанным синим корпусом видны контакты на микросхеме. Раньше они соединялись со штырьками на плате.
Вот микросхема очищена от пластика.
Теперь начинается самое интересное: в работу вступает микроскоп. Сначала обычный оптический. Под микроскопом мы смотрим фрагмент микропроцессора с теми же контактами.
Если посмотреть ближе, то можно различить структуру внутри отверстий под контакты.
Процессор состоит из множества металлических слоёв поверх друг друга, их хорошо видно через дырочки для контактов.
Меняя фокусировку на микроскопе, можно рассмотреть эти слои по очереди. Вот верхний слой.
И нижний слой.
Поскольку оптический микроскоп не обеспечивает нужной детализации, Кристиан решил использовать сканирующий электронный микроскоп. Чтобы увидеть внутренности процессора, он разломал его на части и начал рассматривать места слома. Ниже можно увидеть серию последовательных фотографий с постепенно увеличивающимся разрешением.
Микросхема перевёрнута нижней стороной вверх, так что наверху — ряд контактов, которые прежде прикреплялись к монтажной плате. Сначала ничего особенного не видно. Светлый материал между контактами — видимо, какой-то полимер для заполнения пространства.
Но дальше начинают проявляться очертания какой-то структуры.
При дальнейшем увеличении слои видны уже чётко. Можно даже подсчитать их количество: шесть.
Толщина нижнего металлического слоя составляет примерно 200-250 нм. Процессор P-III производился по техпроцессу 250 нм, а позже — 180 нм, так что этот нижний слой — последний слой с транзисторами, дальнейшее приближение уже не покажет новых элементов.
Вот как выглядит картинка в улучшенном виде.
Последняя фотография сделана в том же масштабе, только сверху. В одном месте корпус случайно обломался, так что обнажилась внутренняя структура.
Там несколько металлических слоёв друг по другом, но Кристиан не смог сделать послойные фотографии и добраться непосредственно до транзисторов (нижний слой), потому что не знает, как аккуратно снимать слои с чипа.
От этих чёрных пластиковых коробочек теперь зависит большая часть нашей жизни. При этом многие из нас плохо представляют себе, что находится внутри микросхем, а уж тех, кто видел это своим глазами, ничтожно мало.
Хочу исправить этот недостаток и познакомить всех желающих с устройством микросхемы и показать, как она выглядит под объективом микроскопа.
Процесс наблюдения простым не назовёшь, но на что не пойдёшь ради знакомства с настоящим чудом инженерной техники, скрытым под слоем неприметного изолятора.
Да, корпус микросхемы — очевидная и самая первая преграда на пути к заветным микроскопическим электронным компонентам интегральной схемы. Конечно, можно обойтись без фанатизма и подобрать объект наблюдения, у которого прозрачный корпус. Например, сенсор простой веб-камеры прикрыт прозрачной пластиковой крышкой. Его светочувствительные элементы — это тоже микросхема. Однако, то, что вы увидите в микроскоп через это окно, вряд ли вас впечатлит.
А всё потому, что чем выше увеличение, тем ближе к рассматриваемому предмету должен приблизиться объектив микроскопа. Для увеличения порядка 1000 крат такое расстояние составляет около 1 мм. Прозрачная крышка просто не даст этого сделать.
Корпус микросхемы придётся ломать. И хотя позже мне дали совет нагревать корпус на плите отчего он должен был отслоиться, у меня так не получилось. А пассатижи справились и часть интегральной схемы обнажилась. На самом деле хватит и такого кусочка.
И там, где в случае с прозрачным окошком наблюдение заканчивалось, наше только начинается.
В неисправной микросхеме кремневые пластины, из которых собрана интегральная схема, не представляют никакой ценности, а вот контакты припаяны золотом. Диаметр каждой такой капельки сравним с отверстием тонкой медицинской иглы.
Потянув за край корпуса микросхемы, она, скорее всего, отколется вместе с толстым основанием кремниевого кристалла, а нам достанется узкая полоска интегральной схемы.
А также множество осколков, торцы которых непременно стоит рассмотреть.
Сейчас ничего не мешает объективу почти вплотную приблизиться к схеме, но для высоких увеличений требуется ещё одно условие, а именно — поместить рассматриваемый объект в каплю воды или масла, в зависимости от типа иммерсионного объектива.
И вот тогда-то только мы сможем рассмотреть это полупроводниковое чудо с увеличением в 1000 крат.
Элементы схемы лучше всего рассматривать на обломках с ровными краями без склонов.
Зато там, где обломку досталось ещё и пологое основание кристалла, хорошо рассматривать слоистую структуру.
В этом месте интегральная схема похожа на вафлю. Каждый её тончайший слой измеряется в нанометрах.
Если есть желание подсчитать количество слоёв, делать это лучше всего на самых мелких обломках, которые могут лежать на боку. Вот один из таких. Хорошо видно плотное основание кремниевого кристалла и множество слоёв схемы.
Непосредственно в микроскоп вы сможете наблюдать картину как на этой анимации.
Слоистость крупных осколков рассматривать сложнее из-за малой глубины резкости. В микроскоп будет видна лишь узкая полоска, остальное — размыто.
Но если с помощью камеры сделать множество снимков, а потом объединить их в один, то можно увидеть и общий план. Вот результат склейки 116-ти кадров.
Вот и подошло к концу путешествие внутрь этого высокотехнологичного результата мыслительной деятельности и инженерной техники. Испытываю большую гордость за всё человечество и одну капельку за себя, если результаты моего наблюдения в микроскоп вдохновляют вас на творчество или исследование окружающего мира.
Фотография кристалла микропроцессора Intel 8008 под микроскопом (см. фотографию большего разрешения 3565×2549)
Энтузиаст микропроцессоров и зарядных устройств Кен Ширрифф (Ken Shirriff) хорошо известен в сообществе электролюбителей. Он раньше публиковал обстоятельные хорошо иллюстрированные репортажи с разбором крохотного зарядного устройства для iPhone, десятка других зарядных устройств, среди которых великолепное изделие Apple даже не самое лучшее. В 2013 году он провёл реверс-инжиниринг ALU в процессоре Z80 по его фотографиям (это процессор из Osborne 1, TRS-80 и Sinclair ZX Spectrum).
Сейчас Шеррифф обратил внимание на исторический процессор Intel 8008 — первый 8-битный центральный процессор, выпущенный фирмой Intel 1 апреля 1972 года, то есть почти 45 лет назад, по цене $120. Микросхема Intel 8008 позиционировалась для продвинутых калькуляторов, но в итоге нашла своё место в первых персональных компьютерах.
Как говорит Википедия, в первое время Intel опасалась, что процессор не заинтересует клиентов, но эти опасения оказались безосновательными. Процессор ждал большой успех. После него фирма выпустила Intel 8080, а затем исключительно успешное семейство Intel x86.
На базе Intel 8008 клиенты начали собирать не только калькуляторы, но и миникомпьютеры. На этом процессоре работали одни из первых коммерческих персональных компьютеров, в том числе американский SCELBI, французский Micral N и канадский MCM/70. Возможно, первым настоящим микрокомпьютером с дисковой операционной системой и встроенным в PROM языком программирования IBM Basic Assembly Language (BAL) на базе Intel 8008 стал Sac State 8008, спроектированный в 1972-1973 годы. Собранный, вероятно, в единственном экземпляре, этот мини-компьютер оснащался цветным дисплеем, жёстким диском, клавиатурой, модемом, считывателем ленты и принтером, а разработчики оказали неоценимую помощь Intel в составлении набора инструкций для будущего Intel 8080. Уже в 1973 году Sac State 8008 превосходил по функциональности Altair 8800 от 1975 года, который дал вдохновение и идею для бизнеса Стиву Джобсу, Стиву Возняку и многим другим энтузиастам по всему миру.
Художественный 3D-рендер Sac State 8008
Судя по историческим свидетельствам, именно Sac State 8008 можно назвать первым в мире настоящим персональным компьютером.
Кен Ширрифф опубликовал подробный анализ с большим количеством фотографий, как выглядел легендарный процессор 8008. Энтузиаст самостоятельно вскрыл корпус и сделал фотографии кристалла под микроскопом, на которых можно разглядеть даже контакты и транзисторы на кристалле. Ниже один из участков микросхемы увеличен.
По периметру микросхемы видно 18 контактных площадок, которые соединяются тонкими проводками с внешними контактными штырями (ножками микросхемы). Фотосъёмка всего кристалла заняла 48 кадров. Кен Ширрифф использовал металлографический микроскоп с яркой подсветкой.
Затем специалист склеил 48 кадров с помощью программного обеспечения Hugin. Чтобы получить красивое фото высокого разрешения, он ещё подкрутил контраст. Для сравнения, вот как выглядит оригинальная фотография, которая примерно соответствует тому, что вы реально видите в оптический микроскоп.
Фотография кристалла микропроцессора Intel 8008 под микроскопом (см. фотографию большего разрешения 4730×3382)
Из документации процессора можно узнать, где именно на кристалле располагаются конкретные функциональные области. Все они подписаны на следующем изображении. Слева располагается арифметико-логическое устройство (ALU), в котором происходили вычисления.
ALU использовал два временных регистра для хранения входящих данных. Эти регистры занимали значительную площадь на кристалле. Не потому что они сложные, а потому что нужны большие транзисторы для передачи сигнала через цепь ALU.
Треугольный дизайн ALU тоже выглядит необычно. В большинстве процессоров цепи компонуются по прямоугольным блокам для каждого бита. Однако в 8008 восемь блоков (по одному для каждого бита) распределены по треугольной площади беспорядочным образом, чтобы уместиться в площадь, которую для них оставил треугольный генератор ускоренного переноса (carry generator).
Физическая структура чипа неплохо совпадает с блок-схемой из руководства пользователя Intel 8008. Блоки на чипе находятся почти в тех же местах, что и на схеме.
Инженер обращает внимание, что у специалистов нет объяснения, почему Intel использовала явно недостаточное количество 18 ножек для такой микросхемы (14 разрядов адреса и 8 разрядов данных), ведь из-за такой нестандартной архитектуры шины приходилось использовать много дополнительной электроники с этим процессором. Он говорит, что 16 контактов были буквально «религией в Intel», но конструкторам за счёт хитрых манипуляций с архитектурой шины удалось уменьшить количество ножек только до 18-ти.
И слово это «DieShot«, что очевидно звучит как «посмертный снимок». Происхождение названия становится понятным, если знать, что производители никогда не дают снимков с высоким разрешением в открытый доступ — это всегда закрытая информация. Делают такие снимки в лабораториях энтузиасты — просто напросто вскрывая чип и извлекая из него кристалл. Понятно что после такой операции он уже «мертв».
К сожалению качественных снимков современных микропроцессоров я найти не смог, вероятно по причине недостаточного разрешения используемых микроскопов, если же поискать древние чипы, то их не мало, например на сайте visual6502.org есть достаточно качественные снимки кристаллов и некоторые из них настолько детальны, что можно разглядеть буквально все вплоть до отдельных транзисторов. Качественные снимки довольно большие, например скачанное мною изображение кристалла 80286 процессора занимает 50Мб и имеет разрешение 9500*9366 пикселей. Это насколько я понял не предел, но лучшие снимки уже стоят денег.
Теперь подробнее о том, что же можно увидеть и понять на этих снимках
Что интересно, почти на каждом виденном мною чипе встречаются и некоторые информационно-декоративные элементы, указывающие на авторство, компанию производителя или серию чипа, как будто предназначенные специально для того кто будет смотреть на кристалл под микроскопом. На этом чипе видна надпись «80286» и «intel 1982». Также, если обратить внимание на края чипа, то по периметру хорошо видны контактные площадки. Причем к некоторым из них не были подпаяны проводники, а к некоторым подпаяно сразу два а то и три — это явно подвод питания.
Площадки питания от информационных визуально отличаются еще и шириной идущих от них дорожек. На снимке слева внизу видна длинная контактная площадка VCC (похоже это «+5В»), от которой широкие проводники расходятся в глубь кристалла для питания различных блоков. Площадки VSS (GND) чаще всего можно распознать по идущим вокруг всего кристалла широким проводникам — по аналогии с обычными электронными схемами. Возле сигнальных площадок же, обычно можно заметить нагромождение мелких элементов, очевидно представляющих собой буферный согласующий элемент.
Посмотрев на схему распиновки выводов можно прикинуть какие контактные площадки куда относятся. Обратите внимание что контакты шины данных идут не подряд а чередуются — D0,D8,D1,D9 и так далее. Площадки шины адреса тоже прерываются контактами питания (это понятно) и контактами CLK,RESET, что вероятно вызвано какими то схемотехническими соображениями. Как я увидел позже, такой же «беспорядок» наблюдается и во внутренних шинах самого чипа, чередуя биты одного байта шины данных с другим.
Все что мне удалось найти из описания внутреннего устройства 80286 микропроцессора это очень упрощенная схема внутренних блоков, которую можно использовать как подсказку. Дальнейшее разгадывание внутреннего устройства кристалла похоже на решение очень сложной головоломки, и зацепится за что-то достаточно сложно. Так например, несмотря на то что я достоверно отметил все 16 контактных площадок шины данных, оказалось достаточно сложно проследить хотя бы одну из них, ведь за ними видны достаточно сложные и плохо различаемые структуры, и несмотря на свои познания в электронике, распознать на кристалле транзистор-конденсатор-резистор удается лишь в отдельных случаях.
Здесь я желтым цветом отделил условные блоки (выполняющие похоже функции буферного элемента для D0 и D8), и если присмотреться то видно что они имеют похожую структуру, зеркально отраженную относительно разделительной линии. Зеленым пунктиром я обозначил линии данных, которые мне удалось проследить до этих блоков. Буферные элементы нужны для усиления сигнала и фильтрации шумов, ведь зачастую на шину данных, да и на другие идущие из процессора сигналы, навешивается серьезная нагрузка.
Еще одна замеченная особенность, которая меня немного удивила — это висячие концы линий, при переходах с одного слоя на другой. Казалось бы, такие незатерминированные концы могут быть источником помех, но то ли на тех частотах, на которых работал этот чип это было не важно, то ли так сделано из каких-то других соображений, однако встречаются в дизайне чипа они не редко и иногда доходят до относительно большой длины.
Будет замечательно, если кто-либо меня поправит или дополнит, а я просто из интереса буду ковырять этот чип дальше, но для первого поста думаю достаточно.
Продолжение разборки микропроцессора 80286. часть 2
Устройство кристалла ИМС с шариковыми выводами и почему происходит отсоединение шарика
Мы все любим электронику и почти поклоняемся ей. Телефоны, компьютеры и пр. устройства очень сложные, и за то, что они не стоят баснословных денег, спасибо автоматизации и САПР, но мы все равно считаем, что она дорого стоит, и хотим дешевле, и даже не представляем сколько технологий в себе содержит микроэлектроника.
Одна из таких скрытых технологий, за которую мы платим покупая процессор, телефон, видеокарту и прочие девайсы — UBM (under bump metallization) — металлизация площадки на кристалле под монтаж шариковых выводов.
Развитие микроэлектроники приводит к увеличению плотности интеграции компонентов как на кристалле ИМС, так и на текстолите. Если на кристалле выводов не слишком много, от одного до пары сотен и больше, то кристалл можно проектировать под проволочную разварку. Примеров множество: flash память, чипы оперативной памяти, звуковые чипы и прочее. Здесь читатель может вспомнить как выглядят некоторые корпуса микросхем, и сказать, что корпуса припаяны на шариковые вывода, и будет прав. Только внутри этих корпусов кристаллы приклеены и разварены проволокой. Далее речь будет идти про шариковые вывода, располагающиеся между кристаллом и корпусом.
Рис. 1 Чип ОЗУ Hunix. Схематично показана разварка кристалла (белые черточки) и
сам кристалл (темный прямоугольник), хотя сам корпус припаян на шариках.
Если количество выводов у потенциального кристалла велико, от 600 до over 4000, то разработчик разрабатывает кристалл сразу под шариковые вывода, например, такие кристаллы, как CPU и GPU. Да и физически разварка проволокой такого количества выводов это длительный последовательный процесс, а про программирование машины вообще молчу.
Рис. 2 Графический чип AMD Fiji. На кристалле ИМС более 4000 припойных шариков, не на корпусе.
Шариковый вывод представляет собой шарик из припоя (может быть свинцосодержащий или без оного), который выполняет одновременно 3 функции:
1. Держит кристалл на текстолите или кремниевом интерпозере (как у AMD Fiji)
2. Служит для отвода тепла
3. Создает электрическое соединение кристалла с внешней средой
Если кристалл изготовлен под шариковые вывода, то контактные площадки из меди формируются по всей поверхности кристалла в виде некоторой матрицы, и представляют собой по сути продолжение топологии кристалла. Затем на медь, где это нужно, наносится защитный слой пассивации, и не наносится там, где будет располагаться шарик. Открытой участок меди покрывается слоем UBM и после этого он готов к нанесению шарика. Часть слоя UBM ложится на пассивацию, тем самым полностью закрывая медь и создавая выступ по периметру площадки.
Рис. 3 КП под шариковый вывод. Желтый цвет – медь под пассивацией, серый – покрытие UBM.
Если кристалл изготовлен под проволочную разварку, то контактные площадки (КП) для разварки представляют собой прямоугольники с покрытием в основном из алюминия, и располагаются по периметру кристалла.
Рис. 4 КП под проволочную разварку размером порядка 100 х 100 мкм
Напрямую подсоединить припойный шарик к такой КП тоже невозможно: припой не может припаяться к алюминиевой площадке. Чтобы это сделать припаять шарик, также применяют технологию UBM.
И так, UBM это прослойка между припойным шариком и металлом контактной площадки на кристалле. Её задачей является адгезия с контактной площадкой, диффузионная защита и смачиваемость для припоя. U BM необходима для создания структур с шариковыми соединениями и она также позволяет создавать структуры для шариков и на ИМС, созданных для разварки.
Рис. 5 Месторасположение UBM
Интерфейс UBM должен обеспечивать выполнение следующих условий:
1. Создавать надежную связь с алюминием контактной площадки и со слоем пассивации на кристалле. Важно, чтобы сам слой пассивации был без мелких отверстий, потому что это может привести к замыканию при создании проводящих слоев UBM.
2. Иметь низкое сопротивление с контактной площадкой. Для выполнения этого требования оксид алюминия удаляется с поверхности КП перед нанесением первого слоя UBM.
3. Обеспечивать барьер для диффузии материала припойного шарика и материала КП.
4. Внешний слой UBM должен быть смачиваемым для припоя.
5. Иметь защиту от образования окисного слоя на открытой поверхности.
6. Оказывать как можно меньшее напряжение на кристалл.
UBM представляет собой как минимум 3 втравленных слоя тонких пленок металлов.
1. Слой адгезии к КП. Служит для формирования связи между металлом КП и слоем пассивации ИМС и защищает от диффузии между КП и припойным шариком. Обычно используемые для этого материалы: Хром (Cr), титан (Ti), титан/вольфрам (Ti/W), никель (Ni), молибден Mo. Толщина этого слоя порядка 0.15 – 0.2 мкм.
2. Слой, смачиваемый для припоя. Для создания паяного соединения с припойным шариком. Используются металлы: Медь (Cu), Никель (Ni), Палладий (Pd). Обычная толщина слоя ~1 – 5 мкм.
3. Слой защиты от окисления. Для этого используется золото (Au). Толщина ~0.05 – 0.1 мкм.
Можно составить много комбинаций слоев UBM, например, Ti/Cu/Au, Ti/Cu, Ti/Cu/Ni, TiW/Cu/Au, Cr/Cu/Au, Ni/Au, Ti/Ni/Pd, Mo/Pd. Однако разные структуры UBM имеют разные свойства и разную надежность. Например, Ti/Cu/Ni имеет лучшую адгезию, чем Ti/Cu. Комбинации материалов UBM сказываются на надежности соединения к площадке кристалла, так и к шарику припоя. U BM должена быть совместима с материалом припойного шарика. Внешний слой UBM, который хорошо работает со свинцовыми припоями, может плохо подходить для бессвинцовых припоев. Например, Cu дает хорошее паяное соединение со свинцовыми припоями, и плохое с бессвинцовыми, потому что чистое олово образует интерметаллическое соединение с медью Sn-Cu. Если медь полностью поглотиться припоем, то контакт разорвется.
Посмотрим, как это выглядит на примере микросхемы, которая была изначально разработана для проволочной разварки, а затем доработана под шариковые вывода. Причем топология кристалла никак не менялась для шариков. И правда, если кристалл работает, зачем лезть? Это микросхема WL1271L – микросхема Wi-Fi и Bluetooth от Texas Instruments. На фото её фрагмент:
Рис. 6 Фрагмент кристалла WL1271L.
Вот тут привлекает момент, что есть возможность, не прибегая к изменению топологии кристалла адаптировать его под шариковые вывода с помощью формирования слоев поверх кристалла. Для этого требуются дополнительные операции над пластиной с кристаллами, операции формирования шариков, но это дает преимущество в экономии места на плате, ведь при размерах шарика в 200 — 250 мкм ему не нужна плата переходник, то есть можно производить монтаж кристалла прямо на плату. Насколько мне известно, в России такого не делают, хотя микросхемы есть, которые подходят для этого, зато некоторые импортные ИМС так делают. По-хорошему такая технология должна удешевлять стоимость конечного продукта. Для военных она может не подойти из-за требований надежности, а вот для домашнего использования, при достижении приемлемой цены, вполне.
Теперь посмотрим на пример ИМС, которая разработана специально для шариковых выводов. Берем видеокарту, и взламываем кристалл, зачищаем, протравливаем смесью персульфата аммония и медного купороса.
Рис. 7 Контактная площадка до (слева) и после травления (справа).
При травлении олова (а шарики должны быть бессинцовые) олово вытесняет медь из медного купороса, а потом эту медь в виде металла поглощает персульфат аммония. Таким образом площадка очищается от олова. Под микроскопом при изменении фокуса видно углубление после удаления олова, на фото это не так хорошо видно. Медные провода, расходящиеся от контактной площадки не подверглись травлению, потому что защищены пассивацией. Медь под самой контактной площадкой также осталась не тронутой, потому что верхний слой UBM не вступил в реакцию ни с персульфатом аммония, ни с купоросом, тем самым обнажив себя и по этому его свойству можно погадать, что это за металл.
Рис. 8 Расположение слоя UBM и шарика (вид сверху).
UBM располагается непосредственно под шариковым выводом (если смотреть на кристалл со стороны шариков). При расположении друг на друге шарик оказывает напряжение на UBM и может отсоединиться со слоем металла UBM или от самого UBM.
Как утверждают на просторах интернета, можно засунуть видеокарту с отвалившимся кристаллом! (а не с другой проблемой, а потом кричать, что все починилось и автор не прав) в духовку и прогреть, и видеокарта снова заработает. Этого делать не нужно, потому что можно отравиться парами от пластмассы/текстолита и это не отремонтирует видеокарту. На некоторое время работоспособность может восстановиться, потому что из-за теплового расширения может пробиться окисный слой, но на долго, пока процесс коррозии/теплового расширения опять не отсоединит контакт, а это случится. Единственное для чего есть смысл греть видеокарту – это для диагностики, чтобы точно определить отвал.
