CT tarayıcısı, 386 işlemcinin seramik paketindeki sürprizleri ortaya çıkarıyor

Intel, x86 serisindeki ilk 32 bit yonga olan 386 işlemciyi 1985 yılında piyasaya sürdü. Bu çip, alttan çıkıntı yapan 132 adet altın kaplamalı pimin bulunduğu seramik bir kare içine paketlenmişti. anakart üzerinde bir soket. Bu paket sıkıcı görünse de içinde beklediğinizden çok daha fazlası oluyor. Lumafieldbenim için çipin 3 boyutlu CT taramasını gerçekleştirdi ve altı karmaşık katmanı ortaya çıkardı kablolar seramik paketin içine gizlenmiştir. Üstelik çipte, paketintaraflarınabağlı neredeyse görünmez metal teller var; alttaki sivri uçlar. Tarama ayrıca 386'nın iki ayrı güç ve toprak ağına sahip olduğunu ortaya çıkardı: biri G/Ç için ve diğeri CPU mantığı için.

Aşağıdaki paket, seramiğin içine yerleştirilmiş karmaşık kablolara dair hiçbir ipucu vermiyor. Silikon kalıp normalde görünmüyor ancak onu kaplayan kare metal kapağı çıkardım.1 Sonuç olarak, silikon kalıbı çevreleyen iki sıra altın kontağı da görebilirsiniz.

Intel, yüksek pin sayısı, iyi termal özellikler, ve kalıba düşük gürültülü güç.2: Ancak standart paketler yeterli güç sağlamadığından Intel, özel bir paket tasarladı. "iki sinyal katmanına ve dört güç ve yer düzlemine tek sıralı çift raf bağlantısı." Başka bir deyişle, kalıbın bağlantı telleri, kalıbı çevreleyen pedlerin iki rafına (veya katmanına) bağlanır. Paketin iç kısmı seramikten yapılmış 6 katmanlı bir baskılı devre kartı gibidir.

Aşağıdaki fotoğraf, minik altın bağ tellerinin eklendiği iki katmandan oluşan pedleri gösteriyor: Bağ tellerini 35 µm çapında, tipik bir insan saçından daha ince ölçtüm. Bazı pedlerde, güç ve topraklama pedleri için daha fazla akımı desteklemek amacıyla beş adede kadar kablo bulunur. Paketi, kalıptaki küçük devrelerden, kalıptaki küçük devrelere kadar hiyerarşik bir arayüz olarak düşünebilirsiniz. bilgisayarın anakartının çok daha büyük özellikleri. Spesifik olarak, kalıbın özellik boyutu 1 µm'dir, kalıbın üstündeki metal kablolar 6 µm boşluğa sahiptir. Çipin kabloları, çipin 0,01" boşluğa (0,25 mm) sahip bağlantı pedlerine bağlanır. Bağlantı telleri paketin 0,02" aralıklı (0,5 mm) pedlerine bağlanır; iki katman olduğundan aralığı iki katına çıkarın. Paket, bu pedleri 0,1" aralıkla (2,54 mm) pim ızgarasına bağlar. Böylece ölçek, kalıbın mikroskobik devresinden çipin pinlerine kadar yaklaşık 2500 kat genişler. `

Seramik ambalaj karmaşık bir süreçle üretiliyor.4 İşlem, bir bağlayıcı madde ile karıştırılmış seramik tozundan oluşan esnek seramik "yeşil tabakalar" ile başlar. Levhada vias için delikler oluşturulduktan sonra, kablolamayı oluşturmak için tungsten macunu levha üzerine serigrafi ile kaplanır. Levhalar istiflenir, basınç altında lamine edilir ve ardından yüksek sıcaklıkta (1500°C ila 1600°C) sinterlenir. Sert seramik oluşturmak için. Pimler çipin alt kısmına lehimlenmiştir. Daha sonra kalıbın pimleri ve iç kontakları altınla elektrolizle kaplanır.3 Kalıp monte edilir, altın bağ telleri bağlanır ve onu kapsüllemek için kalıbın üzerine metal bir kapak lehimlenir. Son olarak paketlenmiş çip test edilir, paket etiketlenir ve çip satışa hazır hale gelir.

Aşağıdaki şema paketin içindeki sinyal katmanının yakından görünümünü göstermektedir. Pimler, CT taramasında muhteşem bir şekilde renklendirilmiş metal izler aracılığıyla paketin raf pedlerine bağlanıyor. (Bu izler şaşırtıcı derecede geniş ve serbest biçimlidir; kapasitansı azaltmak için daha dar izlerin olmasını bekliyordum.) Bağ telleri, raf pedlerini silikon kalıbın üzerindeki bağ pedlerine bağlar. (Kalıp görüntüsü diyagrama eklenmiştir; CT taramasının bir parçası değildir.) Büyük kırmızı daireler pinlerden gelen yollardır. Bazı yollar bu sinyal katmanına bağlanırken bazıları da bu sinyal katmanına geçer. diğer katmanlar. Daha küçük kırmızı daireler bir güç katmanına olan bağlantılardır; raf altlıkları yalnızca iki sinyal katmanında olduğundan, altı güç düzleminin bağlanma için sinyal katmanlarına bağlantıları vardır. Bağlantı kabloları yalnızca sinyal katmanlarına bağlı olduğundan, güç katmanlarının sinyal üzerindeki pedlere bağlantılara ihtiyacı vardır. katmanlar.

Aşağıdaki diyagram, bir güç katmanının karşılık gelen bölümünü göstermektedir. Güç katmanı, sinyal katmanından tamamen farklı görünür; delikleri olan tek bir iletken düzlemdir. Daha küçük deliklerden oluşan ızgara, seramiğin bu katmanın üstünde ve altında yapışmasını sağlayarak katı bir seramik parçası oluşturur. Daha büyük delikler pin geçişlerini (kırmızı noktalar) çevreleyerek pin bağlantılarının farklı bir katmana geçmesine olanak tanır. Sayfaya temas eden kırmızı noktalar, güç pinlerinin bu katmana bağlandığı yerdir. Kalıpla olan tek bağlantı sinyal katmanlarından olduğundan, güç katmanlarının da sinyal katmanları; bunlar bağ tellerinin yakınındaki daha küçük noktalardır; ya içinden geçen güç yolları ya da bağlı olan yollar bu katmana.

Aşağıdaki JavaScript aracıyla pakete katman katman bakabilirsiniz. Bir katman seçmek için radyo düğmesini tıklayın. Bir iğnenin katmanlar arasındaki yolunu gözlemleyerek onun nerede bittiğini görebilirsiniz. Mesela sol üst Pim, üst sinyal katmanı onu kalıba bağlayana kadar birden fazla katmandan geçer. Sağındaki pin üstteki mantık Vcc düzlemine ulaşana kadar tüm katmanlardan geçer. (Vcc, çipe güç veren 5 voltluk kaynaktır ve tarihsel nedenlerden dolayı Vcc olarak adlandırılır.)

Pins I/O Vcc Sinyaller I/O gnd Sinyaller Logic gnd Logic Vcc

Yukarıdaki mantık Vcc düzlemini seçerseniz, merkezde parlak lekeli bir kare göreceksiniz. Sanırım bu kalıbın kendisi değil, kalıbı pakete bağlayan yapıştırıcı, epoksi ile doldurulmuş termal ve elektriksel iletkenlik sağlamak için gümüş. Gümüş X ışınlarını bloke ettiğinden görüntüde oldukça belirgindir.

Elektrokaplama için yan kontaklar

Taramalarda beni en çok şaşırtan şey, paketin yanlarına çıkan kabloları görmekti. Bu teller, imalat sırasında pimler altınla elektrolizle kaplandığında kullanılır.5 Pimleri elektrolizle kaplamak için her bir pimin katot görevi görebilmesi için negatif bir voltaja bağlanması gerekir. Bu, her pime paketin kenarına giden ayrı bir tel verilerek gerçekleştirilir.

Aşağıdaki şema CT taramasını (yukarıda) paketin görsel yandan görünümüyle (aşağıda) karşılaştırmaktadır. Kablolar neredeyse görünmezdir ancak daha koyu noktalar olarak görülebilir. Oklar bu noktalardan üçünün CT taramasıyla nasıl eşleştiğini gösteriyor; diğer noktaları eşleştirebilirsiniz.6

İki güç ağı

Veri sayfasına göre 386'nın +5V güce (Vcc) bağlı 20 pimi ve toprağa (Vss) bağlı 21 pimi var. Zarı incelerken 386'daki giriş/çıkış devresinin güç ve toprak bağlantılarından ayrı olduğunu fark ettim. mantık devresi. Bunun nedeni, çıkış pinlerinin yüksek akım sürücü devrelerine ihtiyaç duymasıdır. Bir pin 0'dan 1'e veya tam tersi değiştiğinde, bu durum güç ve topraklama kablolarında ani bir artışa neden olabilir. Bu artış çok büyükse işlemcinin mantığına müdahale ederek arızalara neden olabilir. Çözüm, çipin içinde G/Ç devresi ve mantık devresi için ayrı güç kabloları kullanmaktır. ayrı pinlere bağlanır. Anakart üzerinde bu pinlerin hepsi aynı güce ve toprağa bağlıdır, ancak dekuplaj kapasitörleri emer G/Ç, çipin mantığına akmadan önce yükselir.

Aşağıdaki şema, iki güç ve topraklama ağının, ayrı pedler ve kablolama ile kalıp üzerinde nasıl göründüğünü göstermektedir. Kare bağ pedleri üsttedir ve koyu renkli bağ telleri takılıdır. Beyaz çizgiler iki metal kablo katmanıdır ve koyu bölgeler devrelerdir. Her bir I/O pininin altında, pini yukarı veya aşağı çekmek için nispeten büyük transistörlerden oluşan bir sürücü devresi bulunur. Bu devre yatay hatlardan güç alır. G/Ç Vcc (açık kırmızı) ve G/Ç topraklaması (Vss, açık mavi). Her G/Ç sürücüsünün altında, daha ince bir güç kaynağıyla çalışan küçük bir mantık devresi bulunur. Vcc (koyu kırmızı) ve Vss (koyu mavi). Daha kalın Vss ve Vcc kablolaması çipin geri kalanındaki mantığa gider. Böylece, G/Ç devresi güç dalgalanmalarına neden olursa mantık devresi bozulmadan kalır ve ayrı güç kablolaması.

Veri sayfası ayrı G/Ç ve mantıksal güç ağlarından bahsetmiyor, ancak CT taramalarını kullanarak hangi pinin güç I/O'sunu, hangi pinin güç mantığını belirledim. Aşağıdaki şemada açık kırmızı ve mavi pinler G/Ç için güç ve topraktır, koyu kırmızı ve mavi pinler ise mantık için güç ve zemin. Pimler paketin her yerine dağılmış olup, gücün kalıbın dört tarafına da sağlanmasına olanak tanır.