Может показаться, что методы сборки и монтажа микроэлектронных кремниевых кристаллов не имеют прямой связи с функциональными возможностями быстродействующей цифровой вычислительной машины. Известно, что фактическую обработку информации в ЭВМ выполняют исключительно сами схемы на кремниевых кристаллах; корпуса и монтажные средства служат просто для взаимного соединения интегральных схем HQ и других приборов и устройств, подвода электропитания и обеспечения условий для их нормальной работы.
Очевидно, что для каждой вычислительной машины требуются те или иные корпуса схем и средства их монтажа, однако характер этих средств, казалось бы, не должен сильно влиять на работу машины. Но факты говорят об обратном. Во многих быстродействующих устройствах обработки данных технология сборки и монтажа оказывается именно тем фактором, который определяет или ограничивает их производительность, стоимость и надежность.
Одна из причин, по которой значение методов сборки и монтажа в настоящее время существенно возросло, заключается в том, что центральные элементы вычислительной системы должны быть выполнены чрезвычайно компактно. Усовершенствования конструкции и технологии изготовления микроэлектронных приборов и схем существенно увеличили как количество логических функций, которые можно разместить на кристалле, так и скорости выполнения арифметических операций. В результате быстродействие центральных процессоров многих машин стало определяться временем прохождения сигналов от одного кристалла ИС до другого.
Для уменьшения задержки сигналов кристаллы следует располагать как можно ближе друг к другу. Но проблема размещения в малом объеме большого количества кристаллов, каждый из которых имеет много внешних выводов, сопряжена с решением ряда серьезных конструкторско-технологических вопросов.
Во-первых, в небольшом объеме нужно расположить тысячи соединительных проводников, по которым подается электропитание и распределяются информационные сигналы между различными кристаллами.
Во-вторых, электрические и другие свойства этой сети проводников должны быть такими, чтобы передаваемые по ней сигналы искажались как можно меньше, а добиться этого по мере увеличения скоростей переключения и уменьшения размеров схем становится все труднее.
И наконец, плотноупакованная матрица кристаллов ИС выделяет значительное количество тепла, которое во избежание нарушения нормальной работы схем нужно каким-то способом отводить наружу.
Во многих случаях именно проблема теплоотвода оказывается наиболее сложной. Конструкторы высокопроизводительных цифровых вычислительных машин придумали и разработали целый ряд остроумных и весьма разнообразных способов решения перечисленных выше проблем. В настоящей статье будут рассмотрены некоторые общие положения, лежащие в основе разработки любых методов сборки и монтажа микроэлектронных схем. Кроме того, будет достаточно подробно описана конструкция одной из высокопроизводительных вычислительных систем — процессора модели 3081 компании International Business Machines (IBM).
Эта система представляет собой большую универсальную ЭВМ. Проблема выбора методов сборки и монтажа и материалов для таких машин является наиболее острой. Технология, о которой пойдет речь, позволяет соединять между собой свыше 100 кристаллов ИС. По сложности такое количество кристаллов эквивалентно центральному процессору некоторых моделей ЭВМ ранних выпусков, при этом весь узел выполнен в виде одного модуля, который может уместиться на ладони.
Уже более десяти лет существует трех уровневая иерархия средств монтажа в типовых универсальных ЭВМ. Каждый кристалл собирается в отдельный носитель — пластмассовый или керамический корпус с 12 или более металлическими выводами. Некоторое число таких носителей вместе с несколькими дискретными компонентами (например, резисторами и конденсаторами) монтируется на плате, изготовленной из стекловолокнистого материала (фибергласа), пропитанного эпоксидной смолой.
На поверхность платы печатным способом наносятся металлические соединительные проводники, а в ряде случаев такая плата состоит из нескольких слоев с печатным монтажом. Несколько таких плат первого уровня — типовых элементов замены (ТЭЗ) — с контактными разъемами на одном из краев устанавливаются на более крупную плату второго уровня (панель), на которой нанесены печатные проводники, соединяющие платы первого уровня между собой. Узел, состоящий из носителей кристаллов, ТЭЗ и панели, соединяется с остальной частью системы (другими аналогичными узлами) с помощью многожильных кабелей.
