Laboratorium Mikroelektroniki

Laboratorium Mikroelektroniki
pawilon C-5, lokal 108
Laboratorium mikroelektroniki pozwala na realizację pełnego cyklu opracowania i produkcji
zaawansowanych niskomocowych mikrosystemów opartych m.in. o specjalizowane struktury scalone
(ASIC). Wyposażenie laboratorium pozwala na realizację prac związanych z:
- opracowaniem koncepcji i specyfikacji urządzenia,
- projektowaniem analogowych i cyfrowych układów scalonych w nowoczesnych technologiach
nanometrowych,
- projektowaniem obwodów drukowanych i systemów do testowania specjalizowanych układów scalonych
oraz urządzeń wykorzystujących je,
- kompleksowych testów wykonanych struktur z wykorzystaniem mikroelektrod ostrzowych jak i
testowania „w systemie” pod kątem zarówno mikromocowych, niskoszumnych analogowych obwodów,
ultra-szybkich systemów i interfejsów cyfrowych oraz interfejsów bezprzewodowych,
- badań systemów do obrazowania z wykorzystaniem promieniowania X,
- wykonanie krótkiej serii produkcyjnej urządzeń.
Laboratorium jest zabezpieczone przed wyładowaniami ESD a także jest wyposażone w wydzieloną strefę o
podwyższonej czystości. Wyposażone jest w najwyższej klasy aparaturę pomiarową i zautomatyzowane,
modułowe systemy kontrolno-pomiarowe a także wysokiej klasy sprzęt komputerowy z niezbędnym
oprogramowaniem.
Opis stanowisk badawczych
1.Stanowisko dla potrzeb ultra szybkich interfejsów cyfrowych
Rolą stanowiska będzie umożliwienie przeprowadzenia badań ultra-szybkich szeregowych i równoległych
interfejsów cyfrowych implementowanych w specjalizowanych układach scalonych. W dobie rosnącego
zapotrzebowania na wielokanałowe układy scalone przeznaczone przykładowo do systemów
dyfraktometrycznych bądź eksperymentów medycznych, zwiększa się również znacząco ilość danych
przesyłanych z takich systemów. Obecne rozwiązania niestety nie spełniają wymogów wspomnianych
aplikacji, toteż istotnym jest zaproponowanie nowatorskich rozwiązań umożliwiających przesył danych o
ultra-szybkich prędkościach. W realizacji tych zadań niezbędne będą m.in. pomiary dotyczące
charakteryzacji linii transmisyjnych i ich zgodności, pomiary diagramów oka, pomiary jitter'u oraz
weryfikacja funkcjonalna. Dodatkowo, na drodze tworzenia prototypów zaproponowanych rozwiązań
konieczne będzie projektowanie obwodów drukowanych dla potrzeb szybkiego przesyłania sygnałów. By
zrealizować te zadania stanowisko badawcze będzie wyposażone w ultra-szybki, wielokanałowy oscyloskop
typu Mixed-Signal, wielokanałowy programowalny generator wzorców cyfrowych, modułowy system
pomiarowy oraz stanowisko komputerowe z protekcją przed ESD.
2.Stanowisko bezprzewodowych interfejsów cyfrowych i układów wysokiej częstotliwości RF
2.
Stanowisko będzie dedykowane prowadzeniu badań funkcjonalnych i weryfikacyjnych specjalizowanych
układów scalonych pod kątem bezprzewodowych protokołów komunikacyjnych oraz charakterystyk
częstotliwościowych generowanego szumu oraz charakterystyk przetwarzania torów przetwarzania
sygnałów. Ta część laboratorium będzie niezwykle istotna w pracach nad specjalizowanym układem
scalonym pozwalającym przesyłać dane rejestrowane z wielu kanałów na raz i jednocześnie spełniającym
bardzo zaostrzone wymagania dotyczące rozpraszanej mocy. Te parametry są kluczowymi w
implantowalnych wielokanałowych układach scalonych dedykowanych do zaawansowanych
eksperymentów neurobiologicznych, gdzie ilość danych sięga dziesiątek Mb/s a moc pobierana przez układ
jest krytyczna zarówno ze względu na potrzebę jej bezprzewodowej transmisji jak i minimalizacji efektów
zwiększania temperatury przez pracujące struktury elektroniczne. Co istotne, dotychczas nie zostało
zaproponowane rozwiązanie spełniające powyższe wymagania a stanowisko pomiarowe będzie kluczowym
elementem na drodze zaproponowania nowatorskiego rozwiązania bezprzewodowego, niskomocowego,
szybkiego toru przesyłania danych. Stanowisko będzie również wykorzystywane do badań nad
ultraniskomocowymi radiowymi nadajnikami/odbiornikami danych pochodzących z rozproszonych
systemów czujnikowych co ma niebagatelne znaczenie m.in. w przemyśle samochodowym i medycznym.
By spełnić powyższe cele, niezbędnym będzie wyposażenie stanowiska pomiarowego w analizator
sygnałów, szerokopasmowy wielokanałowy oscyloskop, programowalny generator sygnałów arbitralnych,
niskoszumne źródło napięcia, precyzyjny miernik cyfrowy i stanowisko komputerowe z protekcją przed
ESD.
3.Stanowisko precyzyjnych niskoszumnych, niskomocowych układów scalonych
Stanowisko pomiarowe będzie przeznaczone do badania i charakteryzacji niskoszumnych,
niskonapięciowych, niskomocowych analogowych torów przetwarzania zaimplementowanych w
specjalizowanych układach scalonych. Systemy rozproszone czy wielokanałowe układy rejestracyjne mają
postawione krytyczne wymagania dotyczące pobieranej przez nie mocy. Z tego powodu istnieje
konieczność ciągłego minimalizowania pobieranej przez elektronikę mocy, przy równoczesnym utrzymaniu
bardzo niskich szumów własnych tychże układów i zwiększaniu ich funkcjonalności. Z tego powodu bardzo
atrakcyjnym stają się nowoczesne nanometrowe technologie produkcji układów scalonych, tj. CMOS,
BiCMOS, SOI czy 3D. Jednakże, ze względu na standardowe kilkuletnie opóźnienie procesu
technologicznego w optymalizacji parametrów analogowych wykonywanych tranzystorów (i tym samym
rozbieżności pomiędzy modelami symulacyjnymi a rzeczywistymi), istnieje konieczność wcześniejszej
weryfikacji przez projektanta układu elektronicznego, podstawowych parametrów tranzystorów tj. szumy
własne, rozrzuty czy parametry wzmocnienia. Dlatego też stanowisko pomiarowe powinno być wyposażone
w szerokopasmowy, wielokanałowy i oprogramowany oscyloskop, ultraniskoszumne źródło zasilania,
programowalny generator sygnałów arbitralnych, precyzyjny miernik cyfrowy i stanowisko komputerowe z
protekcją przed ESD.
4.Stanowisko układów reprogramowalnych oraz badań zwykorzystaniem promieniowania X
Stanowisko pomiarowe będzie dedykowane do pracy z wykorzystaniem układów reprogramowalnych oraz
badań wykonanych struktur (np. kamer promieniowania X) z wykorzystaniem promieniowania X.
Stanowisko jest wyposażone w lampę promieniowania X o dużej mocy.
5.Stanowisko ultra-precyzyjnego montażu mikrostruktur półprzewodnikowych w warunkach
podwyższonej czystości
Stanowisko pomiarowe będzie dedykowane do montażu mikro- i nanostruktur półprzewodnikowych z
wykorzystaniem metody ultrakompresji w warunkach wysokiej czystości i strefy ochrony przed
wyładowaniami elektrostatycznymi. Tworzone rozwiązania przed zaproponowaniem ich finalnej wersji,
Stanowisko pomiarowe będzie dedykowane do montażu mikro- i nanostruktur półprzewodnikowych z
wykorzystaniem metody ultrakompresji w warunkach wysokiej czystości i strefy ochrony przed
wyładowaniami elektrostatycznymi. Tworzone rozwiązania przed zaproponowaniem ich finalnej wersji,
będą testowane w formie gołych układów scalonych, które będą musiały być przygotowane do testów w
laboratorium. Jednym z etapów tego procesu będzie ich montaż na płytkach PCB a także montaż struktur
półprzewodnikowych do siebie nawzajem (np. detektor pikselowy do układu odczytowego). Dlatego też,
stanowisko będzie wyposażone w urządzenie do wykonywania mikropołączeń drutowych metodą ultra
kompresji (ball/wedge bonder) oraz urządzenie do montażu mikrostruktur metodami flip-chip i gold-stud
bump bonding. Oba urządzenia wyposażone są w kamienne stoły antywibracyjne oraz zestaw materiałów
pozwalających przeprowadzać montaż oraz zabezpieczającymi układy przed wyładowaniami ESD.
Stanowisko będzie zlokalizowane wewnątrz wydzielonego pomieszczenia typu clean-box.
6.Stanowisko precyzyjnego montażu i napraw miniaturowych komponentów SMD i THT oraz
weryfikacji poprawności montażu
Konsekwencją ciągłej minimalizacji finalnego systemu opartego o specjalizowane układy scalone jest
konieczność stosowania miniaturowych komponentów (miniaturowe układy elektroniczne czy elementy
pasywne). Stanowisko pozwoli na produkcję zarówno serii prototypowych jak i małych serii produkcyjnych
zaawansowanych urządzeń elektronicznych z wykorzystaniem nowoczesnych komponentów w
szczególności BGA, µBGA, CSP, QFN, pasywne 0201 i mniejsze itp.
Stanowisko będzie składać się z trzech zespołów aparatury:
- Precyzyjne, półautomatyczne stanowisko typu „SMD rework station” pozwalającą na montaż lub wymianę
szerokiego spektrum specjalistycznych komponentów elektronicznych aż do miniaturowych pasywnych w
rozmiarze nawet 01005 bez konieczności wykonywania zautomatyzowanego, kosztownego procesu
montażu w piecu rozpływowym z wykorzystaniem szablonów laserowych.
- Stanowisko do ręcznego lutowania precyzyjnego (lutownica, termopęseta, odsysacz cyny), pochłaniacz
oparów, jonizator powietrza, mikroskop inspekcyjny wraz z kamerą, mikroskop do prac ręcznych, narzędzia
do montażu i system ochrony przed zjawiskami ESD.
- Linia produkcyjna SMD składająca się z drukarki szablonowej, układu pick and place wraz z
dozownikiem pasty lub kleju oraz pieca do lutowania rozpływowego.
7.Stanowisko pomiarowe gołych struktur półprzewodnikowych (elektrody ostrzowe, wafer
probe-card, charakteryzacja półprzewodników)
Stanowisko będzie przeznaczone do testowania, charakteryzacji i pomiarów wykonanych struktur scalonych
wyprodukowanych z wykorzystaniem najnowocześniejszych technologii półprzewodnikowych. Jako, że
badania prowadzone przez grupę będą w znaczącej mierze pionierskie (plany wprowadzania nowatorskich
rozwiązań specjalizowanych układów scalonych rozwiązujących dotychczas istniejące problemy) toteż, na
drodze do zaproponowania finalnego rozwiązania, powstanie szereg prototypów układów scalonych.
Układy te będą miały zaimplementowane funkcjonalności wykorzystujące graniczne parametry stosowanej
technologii, co oznacza konieczność ich uprzedniego testowania w formie gołych układów scalonych.
Dlatego też stanowisko pomiarowe będzie musiało charakteryzować się podwyższonym stopniem czystości
("clean room"). By testować gołe układy scalone stanowisko laboratoryjne będzie wyposażone w
zaawansowane urządzenie do testowania układów scalonych (probe stacja), mikromanipulatory, elektrody
ostrzowe aktywne i pasywne, modułowy system pomiarowy i niezbędny osprzęt pomiarowy. Ponadto,
stanowisko wyposażone będzie w dedykowane urządzenie do charakteryzowania struktur
półprzewodnikowych.
8.Stanowisko projektowania specjalizowanych układów scalonych w technologiach
nanometrowych i systemów do ich testowania
Stanowisko będzie dedykowane do projektowania zaawansowanych układów scalonych, symulacji
projektowanych obwodów ( analizy brzegowe, monte-carlo, parametryczne itp.) oraz projektowania
systemów do ich testowania z wykorzystaniem systemów m.in. mikroprocesorowych i programowalnych
układów logicznych FPGA oraz zaawansowanych wielowarstwowych obwodów drukowanych. Stanowisko
będzie wyposażone w dwie wysokowydajne komputerowe stacje robocze z oprogramowaniem do
projektowania analogowych i systemów cyfrowych układów scalonych, systemów do testowania
specjalizowanych układów scalonych (XILINX VIVADO, ALTERA QUARTUS, LABVIEW) a także
oprogramowanie do projektowania obwodów drukowanych i przygotowania programów maszynowych do
ich montażu.
9.Stanowisko robocze ogólne
Stanowisko będzie przeznaczone do opracowywania specyfikacji i architektury systemów, wstępnych
badań, zdalnych spotkań roboczych, odbioru projektów i równoległej pracy nad zadaniami z innych
stanowisk laboratoryjnych. Stanowisko będzie wyposażone w duży stół konferencyjny z 12 stanowiskami,
system telekonferencyjny a także szereg przenośnych stacji roboczych, tablicę „whiteboard” oraz projektor
multimedialny.
10.Pomieszczenie ultra-czyste "Clean-room"
Pomieszczenie specjalne typu "Clean-room" o podwyższonej czystości dla potrzeb montażu i
charakteryzacji gołych kości i struktur półprzewodnikowych. Dlatego też stanowisko to będzie wyposażone
w przenośną/demontowalną instalację typu "Clean-box", specjalnie wydzielona przestrzeń wyposażona w
system filtrów cząstek. Wewnątrz znajdą się m.in. szafa higrostatyczna oraz dwa stanowiska badawcze:
- Stanowisko pomiarowe gołych struktur półprzewodnikowych (elektrody ostrzowe, wafer-probe card,
charakteryzacja półprzewodników w warunkach podwyższonej czystości.
- Stanowisko ultra-precyzyjnego montażu mikrostruktur półprzewodnikowych w warunkach podwyższonej
czystości.
Użytkownicy laboratorium
prof. dr hab. inż. Paweł Gryboś
tel. 12 617-28-73
e-mail: [email protected]