Разработка БИС на БМК серий 5503 и 5507

БИС на БМК серий 5503 и 5507. Порядок разработки и освоения производства

Разработке полузаказных микросхем предшествует выполнение ОКР по разработке и освоению в производстве базовых матричных кристаллов (БМК), в рамках которой разрабатываются и аттестуются базовые слои БМК, библиотека ячеек, средства проектирования, формируются комплекты конструкторской и технологической документации, необходимые для серийного выпуска базовых пластин БМК (рис.1). 

Для аттестации БМК разрабатывается аттестационная микросхема, которая включает в свой состав все базовые ячейки библиотеки, позволяет измерять заданные в технических условиях электрические параметры и использует максимально возможное количество конструктивных элементов БМК. Изготавливается опытная партия аттестационных микросхем, которая подвергается квалификационным испытаниям. По положительным результатам испытаний утверждаются комплекты конструкторской и технологической документации с присвоением им литеры «А», а БМК вносится в перечень изделий, разрешенных для применения в специальной аппаратуре (Перечень ЭКБ 01). Результаты квалификационных испытаний аттестационной микросхемы распространяются на все типы полузаказных микросхем, разработанных впоследствии на основе данного БМК. Разработка и поставка опытных партий полузаказных микросхем может быть начата уже в процессе выполнения опытно-конструкторской работы по освоении БМК в производстве. Гарантия качества для каждой вновь разработанной полузаказной микросхемы обеспечивается проведением приёмо-сдаточных испытаний этой микросхемы и периодическими испытаниями в процессе серийного производства микросхем.

Общий порядок разработки полузаказной микросхемы определяется ГОСТ 27398-87 «Микросхемы интегральные заказные и полузаказные. Порядок разработки и распределения работ между заказчиком и исполнителем». Можно выделить 5 основных этапов разработки: 

• разработка проекта микросхемы; 
• изготовление и исследование макетных образцов БИС;
• изготовление опытной партии микросхем и проведение предварительных испытаний микросхем в составе аппаратуры; 
• поставка опытной партии микросхем и проведение государственных испытаний аппаратуры;
• организация серийного производства микросхемы.

Перечисленные этапы могут быть реализованы в рамках выполнения нескольких договоров (НИР, ОКР, поставка). Научно-исследовательская работа (НИР) выполняется при отсутствии четкого технического задания на микросхему, необходимости разработки и исследования эффективности алгоритмов и схемотехнических решений, реализуемых в микросхеме. НИР, как правило, заканчивается изготовлением и исследованием макетных образцов БИС. Разработка проекта микросхемы и изготовление опытной партии под контролем военного представительства (далее ВП) для проведения предварительных испытаний микросхемы в составе аппаратуры обычно выполняется в рамках опытно-конструкторской работы (ОКР). Часто работы по разработке и исследованию макетных образцов БИС выполняются в рамках первого этапа такой ОКР. При положительных результатах испытаний опытной партии микросхем дополнительное изготовление опытных образцов для проведения государственных или иных испытаний аппаратуры (без коррекции проекта микросхемы) может осуществляться в рамках договора поставки.

Порядок разработки полузаказных БИС на основе БМК 

Порядок разработки полузаказных микросхем регламентируется ГОСТ 27394 «Микросхемы интегральные полузаказные и заказные. Порядок разработки и деления работ между Исполнителем и Заказчиком». Рассмотрим его более подробно. 

Для проектирования полузаказной БИС выбирается тип БМК, удовлетворяющий требованиям к электрическим параметрам, имеющий достаточный для реализации схемы размер поля и количество внешних выводов, а также тип корпуса и параметры устойчивости к внешним воздействующим факторам, соответствующие области применения БИС.

Укрупнённо процесс проектирования микросхемы включает в себя следующие этапы: 

• разработка технического задания на полузаказную БИС; 
• разработка логической схемы БИС в базисе библиотеки функциональных ячеек выбранной серии БМК; 
• разработка функциональных тестов для проверки логической схемы БИС на соответствие требованиям ТЗ;
• разработка контрольно-диагностических тестов для разбраковки БИС в процессе производства; 
• размещение ячеек «ввода-вывода» и ячеек логической схемы БИС на поле БМК; 
• синтез топологии БИС; 
• аттестация проекта БИС на устойчивость к разбросу параметров технологии изготовления БИС и влиянию ВВФ; 
• прототипирование проекта микросхемы средствами имитатора, исследование функционирования имитатора БИС в аппаратуре заказчика; 
• коррекция проекта микросхемы и изготовление макетных образцов БИС; 
• исследование функционирования макетных образцов БИС в аппаратуре заказчика, коррекция по результатам исследования проекта микросхемы; 
• разработка проекта карты заказа и программы контроля для организации измерений БИС в процессе производства; 
• изготовление опытной партии БИС; 
• испытание микросхем опытной партии БИС в аппаратуре заказчика, оформление заключения о возможности применения полузаказной микросхемы в аппаратуре и готовности БИС к серийной поставке; 
• утверждение карты заказа на полузаказную БИС и внесение микросхемы в таблицу серийно поставляемых микросхем в технические условия (ТУ) на БМК. 

Из представленного выше перечня работ видно, что процесс проектирования БИС нацелен на оперативное решение задач по разработке конкретной аппаратуры и минимизации рисков заказчика 

Заключение договора на разработку микросхемы

Основанием для заключения договора является заявка на разработку полузаказной микросхемы, которую направляет предприятие – заказчик (далее Заказчик) предприятию – разработчику микросхемы (далее Исполнитель). На её основе Исполнитель определяет состав, стоимость и сроки выполнения работ и сообщает их Заказчику.

Заявка на разработку полузаказной микросхемы 

Заявка на разработку полузаказной микросхемы должна содержать информацию о разрабатываемой микросхеме, достаточную для определения типа БМК, состава и срока выполнения работ, определения необходимого количества изготавливаемых макетных и опытных образцов микросхемы.

В общем случае в заявке необходимо указать напряжение питания микросхемы, значение рабочей частоты, количество информационных выводов микросхемы, примерный объём проекта микросхемы в условных вентилях (если это возможно), а также сформулировать особые требования к микросхеме (если они имеются). Исходя из этого, Заказчик может самостоятельно выбрать серию БМК и тип БМК в серии. В заявке также необходимо указать данные контактного лица. 

Предоставленная в заявке информация используется для расчёта цены и сроков выполнения работ по договору. Заявка оформляется в виде официального письма и направляется в адрес Исполнителя. После предварительного согласования цены и сроков выполнения договора оформляется комплект договорных документов. 

Комплект договорных документов 

Состав договорных документов, их содержание и форма определяются Заказчиком. В состав комплекта договорных документов обычно входят договор, ведомость исполнения, техническое задание, протокол согласования цены и смета затрат с расшифровками. При заключении договора на разработку полузаказной микросхемы категории качества «ВП» техническое задание (далее ТЗ), ведомость исполнения, протокол согласования цены и смета затрат должны быть согласованы с военным представительством Исполнителя, а при необходимости с ВП Заказчика. 

Заказчик (совместно с Исполнителем) разрабатывает ТЗ, готовит комплект договорных документов или сообщает необходимые данные для подготовки его Исполнителем. ВП Заказчика направляет в адрес ВП Исполнителя указание о контроле заключаемого договора. 

Состав выполняемых работ 

В общем случае договор на разработку микросхемы включает в себя следующие работы: 

• разработку проекта микросхемы, включая разработку конструкторской документации, необходимой для изготовления макетных образцов микросхемы; 
• прототипирование микросхемы на имитаторах с коррекцией проекта микросхемы; 
• подготовку производства микросхемы: изготовление фотошаблона для травления металла базовой пластины БМК и разработка программ контроля микросхемы на контрольно-измерительном оборудовании;
• изготовление и исследование макетных образцов микросхемы; 
• коррекцию проекта микросхемы (при необходимости), разработку конструкторской документации, необходимой для изготовления опытной партии микросхем, в состав которой входят карта заказа и программа контроля микросхемы; 
• изготовление опытной партии микросхем (под контролем ВП). 

Основным документом для разработки проекта микросхемы является ТЗ и приложение к ТЗ, описывающее требования к функционированию микросхемы. Приложение к ТЗ содержит исходную информацию для разработки микросхемы, которая может быть представлена в произвольной форме, включая электронный вид: текстовое описание, функциональная или принципиальная схема в произвольном базисе, описание проекта микросхемы на языке описания аппаратуры Verilog или VHDL Но наиболее предпочтительным является наличие текстового описания функционирования микросхемы, которое в дальнейшем может быть использовано для подготовки карты заказа разрабатываемой микросхемы.  

Завершающей стадией разработки проекта микросхемы является этап прототипирования, который позволяет исследовать поведение имитатора микросхемы в реальной аппаратуре до изготовления микросхемы. Имитаторы, соответствующие проекту разрабатываемой микросхемы, предоставляются Заказчику Исполнителем на время выполнения договора. Исследования имитаторов в аппаратуре выполняет Заказчик, а необходимые коррекции проекта микросхемы и модификацию имитатора обеспечивает Исполнитель. После окончания этапа отладки имитатора Исполнитель выполняет необходимые действия по подготовке производства микросхемы и изготавливает макетные образцы по укороченному маршруту сборки без проведения ряда отбраковочных испытаний в количестве 5 штук, если иное не оговорено в договоре. При этом Исполнителем гарантируется, что функционирование макетных образцов микросхемы будет соответствовать разработанному и исследованному в аппаратуре на имитаторе проекту микросхемы. 

Макетные образцы предназначены для проверки функционирования микросхемы в аппаратуре перед изготовлением опытной партии микросхем категории качества «ВП». Исследования проводит Заказчик. По результатам исследований может быть проведена коррекция проекта микросхемы и повторное изготовление макетных образцов. По завершении отладки макетных образцов Исполнителем совместно с Заказчиком разрабатывается и согласовывается с ВП комплект рабочей КД (карта заказа и программа контроля) для изготовления опытной партии микросхем. 

Опытная партия изготавливается с приёмкой ВП в объёме, необходимом Заказчику (но не менее 20 микросхем). После отгрузки опытной партии микросхем Заказчику, ОКР по разработке микросхемы считается выполненной в полном объёме, о чём оформляется соответствующий акт. 

Ниже приведены ориентировочные сроки выполнения работ по разработке полузаказных микросхем на БМК серий 5503 и 5507: 

• длительность разработки проекта микросхемы зависит от его сложности и составляет от 1 до 3 месяцев; 
• подготовка имитаторов микросхем (специализация) – 1 неделя; 
• исследование имитатора микросхемы в аппаратуре выполняется Заказчиком; 
• цикл коррекции проекта микросхемы и повторная специализация имитатора – до 2 недель; 
• изготовление макетных образцов – 1 месяц; 
• изготовление опытной партии с приёмкой ВП – 3 месяца.

Техническое задание

Полузаказная микросхема является комплектующим изделием межотраслевого применения (КИМП), предназначенным для выполнения определённых функций в составе изделия или его составных частей. Поэтому ТЗ на ОКР по разработке полузаказной микросхемы выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ РВ 15.201-2003 «Система разработки и постановки продукции на производство. Тактико-техническое (техническое) задание на выполнение опытно-конструкторских работ» по форме ТЗ на выполнение ОКР по разработке КИМП. 

ТЗ утверждается руководителем Заказчика, согласовывается с руководителем Исполнителя, начальником ВП Исполнителя, а также при необходимости руководителями других организаций, согласующих ТЗ.

ТЗ должно состоять из разделов, располагаемых в следующем порядке: 

• наименование, шифр ОКР, основание, исполнитель и сроки выполнения с указанием полного наименования документа, на основании которого будет выполняться ОКР, номер и дату его утверждения, а также Заказчика и Головного Заказчика ОКР; 
• цель выполнения ОКР, наименование и индекс изделия с указанием функционального назначения и наименования разрабатываемого изделия, его перспективности, краткой характеристики области применения и ожидаемого технического уровня разрабатываемого изделия;
• технические требования к изделию, представленные в следующих подразделах, в которых обычно указываются требования ТУ на БМК: 
  • конструктивные требования с указанием типа применяемого корпуса отдельно для макетных и опытных образцов; 
  • требования к электрическим параметрам с указанием, что они должны соответствовать требования ТУ на БМК, либо значения конкретных параметров, уточняющие требования ТУ на БМК;
  • требования стойкости к внешним воздействующим факторам с указанием, что они должны соответствовать требования ТУ на БМК либо значения конкретных внешних факторов, уточняющие требования ТУ на БМК;
  • требования по надежности с указанием, что они должны соответствовать требования ТУ на БМК, либо требования к надёжностным характеристикам, уточняющие требования ТУ на БМК;
  • требования к функционированию, которые обычно помещаются в приложение к ТЗ;
• технико-экономические требования, требования к видам обеспечения, требования к сырью, материалам и КИМП, специальные требования и требования защиты государственной тайны при выполнении ОКР включаются в ТЗ при необходимости; 
• требования к консервации, упаковке и маркировке с указанием маркировки отдельно для макетных и опытных образцов; 
• этапы выполнения ОКР, в котором указывают перечень работ, выполняемых на этапах ОКР, сроки выполнения, а также, при необходимости, порядок согласования документации с ВП Исполнителя;  
• порядок выполнения и приёмки ОКР с указанием особенностей выполнения ОКР, состава предъявляемой документации, количества макетных и опытных образцов; 
• приложение к ТЗ, содержащее необходимую информацию для разработки проекта микросхемы, обычно включающее следующие подразделы: 
  • назначение микросхемы; 
  • состав микросхемы и структурная или функциональная схемы с отражением взаимодействия с внешними устройствами; 
  • описание функционирования микросхемы, которое должно включать максимально подробное описание алгоритма работы, циклограммы, диаграммы обмена блоков, межблочный интерфейс, возможно приведение схем в произвольном схемотехническом базисе, а также ссылки на нормативные документы, аналоги и прототипы, описание алгоритма тестирования; 
  • описание выводов микросхемы с указанием назначения, обозначения, соответствующего номера контактной площадки микросхемы, типа, необходимости использования триггера Шмитта, внутреннего резистора доопределения с указанием его номинала, а также значения выходного тока для выходов. 

Приложение к ТЗ может быть разработано как до заключения договора, так и в рамках выполнения работ по договору, что отражается в ведомости исполнения. 

Разработка проекта микросхемы

Разработка микросхемы состоит из четырёх стадий: разработка логического проекта, прототипирование микросхемы, разработка топологии микросхемы, подготовки информации и документации для изготовления макетных образцов и опытной партии. 

На первой стадии Исполнитель разрабатывает логический проект, включающий в себя логическую схему БИС в базисе библиотеки функциональных ячеек БМК, функциональные и контрольно-диагностические тесты, разрабатывает топологию микросхемы, проводит анализ устойчивости проекта к воздействию внешних факторов и предъявляет Заказчику результаты разработки с целью контроля выполнения требований ТЗ к функционированию микросхемы. При необходимости результаты проверки оформляются в виде акта контроля логического проекта. 

На второй стадии логический проект конвертируется Исполнителем в имитатор микросхемы и передаётся Заказчику для исследования его поведения в аппаратуре. При возникновении в процессе исследований необходимости коррекции проекта микросхемы, она выполняется Исполнителем с повторной реализацией в имитаторе. По завершении исследований подписывается двухсторонний «Акт технической готовности проекта микросхемы к изготовлению». после чего Исполнитель разрабатывает и оформляет программы контроля на указанную микросхему, выполняется изготовление макетных образцов микросхемы, которые используются для отладки программ контроля и передаются Заказчику для исследований в аппаратуре. После успешного завершения исследований оформляется двухсторонний акт готовности микросхемы к изготовлению, Заказчик предоставляет Исполнителю описание функционирования микросхемы, Исполнитель разрабатывает и утверждает проект карты заказа и программу контроля микросхемы. 

Результатами разработки проекта микросхемы являются проектная информация и рабочая КД, необходимая для изготовления опытной партии микросхем, Акт готовности микросхемы к изготовлению, макетные образцы микросхемы, а также комплект документации на полузаказную БИС, необходимый для выпуска опытной партии микросхем – карта заказа и программа контроля. 

Изготовление опытных партий микросхем для проведения предварительных и государственных испытаний аппаратуры

Изготовление опытных партий микросхем категории качества «ВП» для проведения предварительных и государственных испытаний аппаратуры обычно выполняется в рамках ОКР по разработке микросхемы, хотя возможно изготовление по договору поставки, если необходимая для изготовления рабочая КД уже имеется в наличии. Перед изготовлением опытной партии конструкторская документация должна быть согласована и утверждена. Карта заказа, как правило, имеет децимальные номера Заказчика, который является её калькодержателем. По согласованию с Заказчиком калькодержателем карты заказа может быть Исполнитель, при этом карта заказа будет иметь децимальный номер Исполнителя. 

Микросхемы изготавливаются с маркировкой «ОП» (опытная партия). Маршрут их изготовления полностью соответствует маршруту изготовления серийных микросхем. Проведение периодических испытаний начинается с момента выпуска первой серийной партии микросхем. 

Организация серийного производства микросхемы

Серийная поставка микросхем (без маркировки «ОП») возможна только после выполнения процедур, определённых ГОСТ 27394-87 «Микросхемы интегральные. Заказные и полузаказные. Порядок разработки и распределения работ между заказчиком и исполнителем», включающих в себя: 

• проведение Заказчиком испытаний аппаратуры с применением микросхем опытных партий, имеющих маркировку «ОП»; 
• подготовка Заказчиком по результатам испытаний заключения, подтвержденного ВП Заказчика, о соответствии разработанной микросхемы карте заказа и её пригодности для применения в аппаратуре; 
• согласование титульного листа карты заказа Заказчиком, Исполнителем, представителями ВП Заказчика и Исполнителя, Генеральным директором АО «ЦКБ «Дейтон», Первым заместителем директора ФГУП «МНИИРИП». Утверждает титульный лист калькодержатель, которым может быть Заказчик или Исполнитель по договоренности; 
• внесение Исполнителем обозначения микросхемы в таблицу 1а Технических условий соответствующего БМК. 

     Поставка серийных микросхем возможна только после внесению микросхемы в ТУ. Мероприятия по внесению микросхемы в ТУ выполнения в течение не более 3 месяцев после получения положительного заключения Заказчика о соответствии микросхемы техническим требованиям и пригодности к использованию в аппаратуре.