автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Алгоритмизация процесса формирования моделей тепловых источников в полупроводниковых активных компонентах



С;-

^ и..1'

г^ ■ » На правах рукописи

Чепелев Михаил Юрьевич

АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ТЕПЛОВЫХ ИСТОЧНИКОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АКТИВНЫХ КОМПОНЕНТАХ

Специальность: 05.13.12- "Системы автоматизация проектирования"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1997

Работа выполнена па кафедре "Системы автоматизировании! о 7 проектирования н информационные системы" Воронежского

государственного технического университета.

Научный руководитель Научный консультант

доктор технических наук, профессор Муратов Л.В. кандидат технических наук, доцент Стогней В.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

доцент Шишкин В.М., , кандидат'технических наук

АшковЕ.М. "

Ведущая организация АО "ОКБ Процессор" (г.Воронеж)

Защита состоится "¿4" 1997 г. и // часов в

конференцзале на заседании диссертационного совета Д063.81.02 Воронежского государственного технического университета но адресу: г.Воронеж, Московский пр-т, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВГГУ.

Автореферат разослан

1997 г.

Ученый секретаре диссертационного Совета

Львович Я.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Характерной чертой современной радиоэлектроники является широкое применение в ее составе различных микроэлектронных устройств (МЭУ). Развитие современной микроэлектроники сопровождается ростом удельных тепловых нагрузок и усилениемN температурных воздействий. Решению вопросов, связанных с исследованиями в этой области, посвящен ряд работ, выполненных на кафедре САЛРиИС Воронежского государственного технического'университета. В частности, разрабатывались средства автоматизированного формирования тепло-физических моделей МЭУ в целом, микросборок, больших интегральных схем. В представляемой работе исследуются тепловые процессы на уровне интегральных и дискретных активных компонентов (транзисторов), которые являются основными элементами МЭУ. Причинами отказов полупроводниковых приборов может быть как общий перегрев, так и непостоянство распределения температуры по кристаллу или под-ложе, что может быть вызвано перегревом отдельных областей элементов, выделением дмоулева тепла на неоднородностях структуры, следствием чего является различное протекание процессов деграда^ ции в разных областях схемы, а также массоперенос материала. Следовательно, усиление температурных воздействий требует детального исследования и учета тепловых процессов в активных компонентах (АК) и решения задачи обеспечения их нормального теплового режима на различных этапах проектирования МЭУ.

Комплексное решение этих задач возможно путем создания в составе подсистемы теплофизического проектирования САПР МЭУ специальных средств, . выполняющих моделирование и оптимизацию тепловых характеристик полупроводниковых АК на различных этапах разработки с целью получения допустимых перегревов. Она должна позволять еще на ранних стадиях разработки, в частности, на этапе схемотехнического проектирования, оценить тепловые режимы, элементов. Для решения этой задачи необходимо получить тепловые и математические модели АК (биполярных к полевых транзисторов), предназначенные для определения с учетом режимов работы соответствующих АК геометрических параметров и плотности теплового потока эквивалентных источников тепла.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью повышения эффективности теплофизического проектирования МЭУ, для чего требуется учитывать точное

о

распределение плотности потока тепла по координатам; учитывать 7' влияние электрического режима работы, то есть как зависит тепловой поток от режима АК; данные о тепловом режиме АК желательно иметь на как можно Солее ранних этапах проектирования, в частности, при схемотехническом проектировании, чтобы их можно было учесть при расчете термозависимых электрических параметров.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов получения теплофизических моделей полупроводниковых АК для использования на этапах схемотехнического и конструкторского проектирования и создание на их основе программно-методического комплекса (ПМК) формирования моделей тепловых источников в АК и моделирования тепловых характеристик АК.

Для достижения поставленной цели реаались следующие задачи:

1) Выбор методов определения тепловых потоков в АК и конфигурации эквивалентных тепловых источников;

2) Алгоритмизация процесса проведения вычислительного эксперимента и обработки результатов;

3) Синтез моделей теплоЕЫх источников, учитывающих режимы работы АК;

4) Разработка тепловых моделей АК;

5) Создание алгоритмов и программных средств формирования теплофизических моделей и моделирования температурных полей в АК на этапах схемотехнического и топологического проектирования.

Методы исследования

В работе использовались методы математического моделирования, аппарат вычислительной математики и математической физики, теории теплообмена, теории электрических цепей, теории САПР, методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна

Основные результаты диссертации, выносимые на защиту и имею-¡дне научную новизну, состоят в следующем:

1. Предложен метод повышения эффективности теплофизического проектирования МЭУ, заключающийся в оценке теплового режима устройств на этане схемотехнического проектирования и улучшении точности моделирования температурных полей на этапе конструкторс-ко-топологического проектирования за счет применения моделей эквивалентных тепловых источников в активных компонентах, учитываю-

щих их режимы работы и соответствующие им реальные величины и распределения тепловых потоков.

2. Созданы модели эквивалентных тепловых источников в активных компонентах, отличающиеся возможностью получения геометрической конфигурации области тепловыделения и реального распределения плотности теплового потока в различных режимах работы активных компонентов.

3. Разработаны алгоритмы формирования моделей эквивалентных тепловых источников в активных компонентов на базе вычислительного эксперимента, отличающиеся учетом электрических параметров активных компонентов и размеров тепловыделяющих областей, зависящих от режима работы, при определении размеров и координатной зависимости плотности теплового потока.

4. Созданы тепловые модели активных компонентов, позволяющие повысить точность моделирования их тепловых характеристик, отличающиеся наличием в их составе эквивалентных тепловых источниках, отражающих зависимость плотности теплового потока от электрических режимов работы и координат области тепловыделения.

Практическая ценность

Используемые при разработке алгоритмического и программного обеспечения методы позволили сформировать библиотеку теплофизи-ческих моделей полупроводниковых АК, позволяющих учитывать распределение тепловых полей по структуре рассматриваемых элементов в зависимости от их электрических режимов работы.

Разработан программный комплекс формирования тепловых источников и исследования тепловых характеристик АК, позволяющий повысить эффективность схемотехнического проектирования и анализа температурных полей в процессе теплофизического проектирования (общий цикл проектирования сокращается на 10 точность моделирования температурных полей возрастает на 5 %, увеличивается надежность МЭУ, что приводит к росту выхода годных изделий на 7 X).

Разработанный комплекс является открытой системой, позволяющей вносить коррективы в процесс формирования моделей тепловых источников, изменяя метод проведения вычислительного эксперимента, способ обработки результатов эксперимента, вид формируемой тепловой модели.

Реализация результатов работы

Разработанный на основе подсистемы теплофизического проекта-

рования ПМК формирования моделей тепловых источников в полупро- 7 водникових АК внедрен Воронежским научно-исследовательским институтом связи в ряде ОКР с годовым экономическим эффектом 67 млн. рублей в ценах 1997 года, ОАО "Видеофон" с годовым ожидаемым экономическим, эффектом 47 млн. рублей в ценах 1997 года, а также в учебный процесс на кафедрах САПРиИС и КиПРА ВГТУ.

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах: Всероссийских совещаниях-семинарах "Математическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине", Воронеж, 1995-1997 гг; Третьей Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Тагачрог-Дивно-морье, 1996г; Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем", Пенза, 1997; ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава ВГТУ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и заключения на 112 с., списка литературы (70 наименований) на 8 с., десяти приложений на 15 с., содержит 17 рисунков, 3 таблицы,

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее кратная характеристика, формулируются цель и задачи исследования, представляются основные научные результаты, выносимые на защиту..

В первой главе обосновывается необходимость детального исследования температурных режимов полупроводниковых АК, вызванная повыаением степени интеграции, ростом быстродействия и другими факторами. Проводится анализ имеющегося программного обеспечения в данной области и делается вывод о необходимости поиска новых подходов к решению указанной задачи.

На практике учет температурных режимов, как правило, производится на этапе топологического проектирования, когда размещение всех компонентов уже завершено. Снизить объем таких работ, сокра-

тив при этом сроки и стоимость разработки устройства, возможно с помощью предлагаемого подхода к теплофизичсскому проектированию, суть которого состоит в том, чтобы оценивать перегревы компонентов до разработки общей топологии МЗУ, то есть уже на этапе схемотехнического проектирования,

Целью предлагаемого подхода является решение задачи повышения точности оценки тепловых режимов на зтапач схемотехнического и топологического проектирования за счет получения теллофизичес-ких моделей АК в виде эквивалентных тепловых источников (ЭТИ) с их геометрическими и режимными параметрами, а следовательно, учета при анализе схем тепловых нагрузок более адекватных реальным.

Анализируя различные электрические модели биполярного транзистора, видно, что электрические режимы не представляется возможным связать с геометрическими параметрами соответствующих им ЭТИ. Тагам образом, несмотря на то , что электрические модели транзисторов дают возможность достаточно точного моделирования их функционирования, необходимо использовать другой математический аппарат,в частности, физико-топологического моделирования. Моделирование, основанное на численном решении фундаментальной системы уравнений (ФСУ) полупроводника, является наиболее эффективным средством теоретического исследования электрических процессов в полупроводниковых структурах. Оно позволяет более точно отражать процессы в полупроводнике, так как большинство электрических моделей в конечном итоге базируется на использовании ФСУ.

Все известные программы, учитывающие температурные поля, возникающие в полупроводниковых структурах, основаны на решении ФСУ для катсдого отдельно взятого транзистора на каждом шаге моделирования. Это позволяет связать топологию исследуемого элемента с его электрическим режимом, и соответственно, с параметрами ЭТИ. Подобные методы описаны в работах й.И. Абрамова и В.Б. Харитонова (комплекс NASD), К.О. Петросянца и Н.М. Рябова (комплекс "Саморазогрев") и т.д. Однако расчет с помощью данных методов имеет существенные недостатки: громоздкость и больигое Еремя вычислений, особенно если учесть, что в большинстве случаев происходит многомерное моделирование.

Поэтому предлагается другой путь, требующий меньших вычислительных ресурсов - создание такого метода, который позволял бы определять геометрию эквивалентных источников тепла и количество

выделяемой теплоты сразу по заданному электрическому режиму эле-7 мента, не решая каждый раз ФСУ целиком, В работе А.Н. Кармазинс-кого и Г.И. Костычева приведено решение подобной задачи для интегральных ВДП-транзисторов. Однако применяемая при этом методока не обеспечивает высокой точности моделирования и не может быть использована для получения аналогичных результатов для других типов АК, например, биполярных транзисторов, в электрические модели которых не входят в явном виде топологические размеры.

В предлагаемом способе на основе многократного моделирования электрических и температурных полей с помощью решения ФСУ и обработки результатов для каждого типа транзистора выявляется зависимость плотности теплового потока и геометрических параметров эквивалентного теплового источника от электрического режима работы, которая представляется в виде соответствующих аналитических выражений. В результате создаются описания источников тепла, эквивалентных всем применяемым АК. Для решения поставленной выше задачи обработки результатов применяется достаточно простой, но эффективный способ аппроксимации методом наименьших квадратов таблично заданной функции.

Сформированные в конечном итоге указанные зависимости параметров ЭТИ от режимов работы предназначены для использования в процедурах моделирования температурных полей на этапах схемотехнического и топологического проектирования микросхем. Их применение позволяет существенно сократить затраты машинного времени на проведение анализа тепловых режимов, обеспечивая при этом повышение точности определения тепловых характеристик за счет учета реальных электрических режимов функционирования АК, влияющих на характер и интенсивность тепловыделения.

Во второй главе рассматривается структура средств формирования моделей ЭТИ, входящих в состав комплекса тешюфизического проектирования, проводится анализ процессов в полупроводниковых структурах и построение математических моделей АК на базе проведения вычислительного эксперимента и обработки его результатов.

Метод формирования модели ЭТИ основан на применении непрерывной модели, в основе которой лежит ФСУ полупроводников дополненная уравнением теплопроводности со вспомогательными соотношениями. Процессы рекомбинации-генерации описываются традиционной моделью Шокли-Рида-Холла, зависимость подвижности от поля в пря-

мосмещепных р-п-переходах не учитывается.

Для сокращения вычислительных затрат ЭВМ осуществляется нормировка переменных. С помощью метода конечных разностей осущест-вляетя переход от исходной к дискретной модели. Для этих целей на сетке, покрывающей прибор, к уравнениям, получаемым в результате нормировки, применяется метод Г.И.Марчука в сочетании с иерархией физических предположений. В результате проведенных преобразований получается полная разностная схема, состоящая из разностных схем уравнений Пуассона, непрерывности электронов и дырок, аналога уравнения теплопроводности. Дальнейшее решение полученной системы дискретных уравнений осуществляется с помощью трехступенчатого метода верхней релаксации.

Для определения координатных и режимных зависимостей распределений тепловых потоков по площади ЛК применяется аппроксимация методом наименьших квадратов экспериментально полученных значений зависимости плотности мощности, рассчитанной в исследуемых точках поверхности АК, от напряжений на выводах соответствующего компонента схемы.

Получаемое таким образом аналитическое выражение для плотностей теллогого потока, аргументами которого являются управляющие напряжения, представляет собой искомую модель зависимости распределения и величины теплового потока по структуре элемента от режима работы. Для биполярных и полевых транзисторов соответствующие выражения будут иметь следующий вид:

Ч(ибэ,ик:э)-ао+а1иеэ+а2икэ+азибаикэ+а4ибэ2+а5икэ2+

+абибэ2икэ+а7и6эикэг+ае.и6э2икдг; а(изи,иси)=ао+а1изи+а2иси+азЬ,зииси+а4иэи2+а5иси2+ +абизи2иси+а7изииси2+авизи2иси2,

где 136э,иК5 ~ управляющие напряжения на внесших выводах ба-за-эмнттер и коллектор-эмиттер соответственно для биполярного транзистора; изи«Ц;и ~ управляющие напряжения на внешних выводах затвор-исток и сток-исток соответственно для полевого транзистора; 3] - полученные в результате формирования модели коэффициенты аппроксимирующего полинома.

Подобная зависимость характеризует изменение плотности теп- 7 левого потока б зависимости от режима работы лишь в одной конкретной точке. В случае если необходимо определить зависимость распределения по структуре в целом, то вводятся дополнительные факторы, которые соответствуют координатам очередной выбранной ячейки на координатной сетке, покрывающей поверхность элемента. При этом аналогичные зависимости примут следующий вид:

Я (х .У, ^бэ, икэ) =--ао+31 х+асу+азибэ+а4икэ+а5ху+абхи6з+а7хику+

+Эеуи6э+а9уикэ+а1оибэикэ+а11х2+а1оу2+а1зибэ2+а14икаг+ +а15хгу+а1бх2ибэ+а17х2икэ+а18угх+а19уги6э+аг0у2икэ+ +а2.1ибэгх+а22ибэ2У+а2зисо2икэ+а24икэ2х+а25ик;э2У+ +32бибэ2икэ++аг7Х2у2+аодх£иб82+а29ХЕ11кэ2+азоУ2ибэг-'-+аз1у2икэ2+аз2ибэ2икэ2;

Ч(х,у,изи,иси)=а0+а1х+айу+аэиэи+а4иси+а5ху+абхиэи+а?хиси+ а8уизи+адуиСи+а1 ои3„иСи+ ец з.х 2+а: 2Уг+а1зи3и2+а14иСи2+ на15х2у+а1бх2иаи+а17>;2иси+а18у2х+а19у2иэи+а20у2иси+ +а^1иа„2х+а22иэи2У+а2зиаи2иси+аг4Ь,си2х+а25иси2У+ ■!-а2бЬ,эи2иси++а27Х2у2+а28Х2иэи2+а;>дх2иси2+азоу2и3и2+ +аз1У2иСи2+аз2изи;гиси2.

В качестве тепловой модели ЭТИ дискретного АК принимается ограниченная пластина с локальным источником тепла, толщина которой равна высоте кристалла. Распределение перегрева в пластине находится путем решения уравнения теплопроводности. Размеры источников тепла в интегральных АК много меньше размеров кристалла к поэтому в качестве тепловой модели необходимо использовать неограниченную пластину. В данном случае перегрев будет находиться следующим образом:

4 ч !х, V) £1п ((Лч/2) п (0Ду/2) соз (р<) соз (йу) 0(>:.уЬ —- у I --------5-й--—,

Г/' О О дзСа+Хх^б+ЛуС'б)

где дСх,у>-Г(их.иг) - координатная зависимость плотности мощности ст управляющих напряжений для каждой отдельно взятой точки.

Так строятся модели, описывающие геометрию ЭТИ и распределение теплового потока по структуре АК с учетом его режима работы.

Полученные модели применяются для моделирования температурных полей в ЛК, тепловой моделью которых является для дискретных АК ограниченная пластина с источником тепла, а для интегральных АК -неограниченная пластина.

В 1Т>етьей главе рассматриваются вопросы построения алгоритмов формирования моделей ЭТИ в полупроводниковых АК и моделирования температурных полей АК на базе разработанных моделей.

В целом весь процесс формирования ЭТИ можно разбить на четыре основных этапа.

На первом этапе осуществляется ввод исходных данных. К ним относятся: топологические и теплофизические характеристики рассматриваемых приборов, возможные рабочие диапазоны изменений управляющих напряжений, требуемая точность расчетов и при необходимости - максимально допустимое количество разбиений диапазона налряжеЕИй, гида вычислительного эксперимента и способа моделирования температурного поля. В случае отсутствия каких-либо из этих данных возможно автоматическое их формирование.

На втором этапе непосредственно формируется модель рассматриваемого АК в виде набора границ поддиапазонов и соответствующих каждому из них коэффициентов аппроксимирующего полинома.

На третьей этапе осуществляется проверка созданной модели на соответствие ее предъявляемым требованиям. В случае несоответствия математической модели заданным требованиям делаются попытки приблизить ее к требуемому виду, варьируя такие входные данные, как максимально допустимое количество разбиений диапазона напряжений, вида вычислительного эксперимента. Если же все требования, предъявляемые к разрабатываемой моделе, удовлетворяются, то происходит переход к следующему этапу. Адекватность модели при этом проверяется путем сравнения результатов моделирования с результатами расчетов, полученными на основе решения ФСУ, дополненной уравнением теплопроводности.

На четвертом этапе сформированная модель АК заносится в архив баз'Л данных, предварительно преобразованная в необходимую ферму и выводится информация о результатах расчетов. В качестве выходной информации пользователю передаются следующие результаты: е случае выполнения всех требований, предъявляемых к модели: количество и границы полученных поддиапазонов, вид уравнения регрессии, значения коэффициентов аппроксимирующего полинома для

ю

каждого поддиапазона, полученное значение погрешности модели; в случае невыполнения каких-либо требований - информация о том, такие именно требования не выполнены и рекомендации по выходу из создавшегося положения.

Применительно к решению поставленной в данной работе задаче возможно два варианта реализации предложенного метода.

Вариант первый ("дискретный"). Исследуемая поверхность АК "покрывается" сеткой с заданным шагом в соответствии с принципами, изложенными выше. Далее для каждой ячейки сетки на основе предложенного математического аппарата строится аналитическая зависимость плотности мощности 41(1)1,42) методом двухфакторного анализа, где Щ.иг - управляющие напряжения рассматриваемого транзистора (для биполярного это иба и иКэ)- Аналогичным образом данная процедура повторяется для каждой ячейки сетки. В этом случае при анализе температурного поля АК будут перебираться все ячейки и в каждой из них на основе формулы для 41(111, иг) вычисляться значения мощности и полученное значение плотности мощности подставляться в выражение для расчета перегрева.

Второй вариант ("анаюговый"). Поверхность исследуемого АК также, как и в первом случае, разбивается сеткой. На ячейках сетки аналогичным образом рассчитывается значения температуры. С помощью же аппроксимации функции от четырех переменных полиномом будут выявляться аналитические зависимости вида чг(х,у,1)1,112), то есть в дальнейшем при анализе температурного поля АК для определения температуры в конкретной точке поверхности при заданном режиме работы элемента необходимо будет в формулу Ч2(х,у,иа,1)2) подставить соотвегствуювде значения х.у,и1,112- Далее, как и в первом случае, полученное значение ч подставляется в выражения для определения значения перегрева.

Первый вариант предпочтительнее по требуемому объему памяти, но не позволяет рассчитывать температурные значения в любых точках поверхности АК. Представляется целесообразным иметь возможность использовать оба варианта, предоставив на усмотрение пользователя ШК самому ропать каким из вариантов воспользоваться в том или ином случае.

Алгоритм моделирования температурных полей на этапах схемотехнического и топологического проектирований представляется следующим образом. Вначале выбирается тип исследуемого АК и соот-

ветствующая ему модель температурного распределения. Данные об электрических режимах работы ДК ПМК можно получат!', путем взаимодействия с базой данных САПР проектирования МЭУ в целом, а в частности, с программой РЗР1СЕ, осуществляющей моделирование исследуемой схемы.1 Далее расчет может производиться по двум направлениям, рассмотренным выше. В первом варианте применяется следующая последовательность действий: выбор очередной ячейки координатной гетки; выбор поддиапазона, соответствующего рабочему режиму; выбор из базы данных соответствующей этой ячейке зависимости для 'данного поддиапазона; по найденной зависимости рассчитываются значения мощности путем подстановки в уравнение 41,иг; лолучеиное значение мощности подставляется в выражения для расчета перегрева и таким образом получается значение перегрева в рассматриваемой ячейке координатной сетки; происходит переход к следующему узлу сетки. Во втором варианте используется следующая последовательность действий: выбор очередной точки поверхности; выбор поддиапазона, соответствующего рабочему режиму; выбор из базы данных соответствующей этому узлу зависимости для д2Г.х,у,1]1,и2) для данного поддиапазона; по найденной зависимости рассчитываются значения мощности путем подставления в уравнение х,у,и1,Ь'2, а далее как и в первом варианте. Аналогичный алгоритм моделирования применятся и для проверю! адекватности на третьем этапе формирования модели, за исключением лишь того, что там не производится расчет значения перегрева.

Структура предложенного алгоритма формирования моделей ЭТИ представлена на рисунке.

При топологическом проектировании полученные результаты используются для точного моделирования температурного' поля МЭУ с учетом режима работы. При схемотехническом проектировании с помощью полученных результатов решаются такие основные задачи, как расчет температур элементов, обусловленных их саморазогревом, сценка возможности реализации проектируемой схемы с.точки зрения тепловых режимов. При этом в качестве значений рабочей температуры используется рассчитанное с помощью разработанных моделей значение перегрева не всреднем по элементу, а соответствующее области максимального тепловыделения. Для биполярных транзисторов она соответствует области коллекторного перехода, расположенной под эмиттером, а для полевых - области канала.

/Ввод_и формирование исходных даннш/

I

¡Расчет на основе ФСУ

¡Формирование аппроксимирующего полинома

т

[ Выбор типа АК~]

Дискретным -^ЗыбосГ^--^ Аналоговая -^метода мЬдели сования

Выбор ячейки сетки

координаты

I

Выбор аналитической

з^^имдс^и

Выбор аналитической

Жуим02) ---

Выбор полдиапазона, соответствующего рабочему режиму

Выбор поддиапазона соответствующего рабочему режиму

Расчет по ГгСх.уДЬ значения мощности

' Вывод информации о результата?; / расчетов /

^Достижение максимального

количества .поддиапазонов

Структура алгоритма формирования моделей эквивалентных тепловых источников

В четвертой главе рассматриваются вопросы разработки программного и информационного обеспечения ШК формирования моделей тепловых источников в полупроводниковых АК, реализующего предложенные алгоритмы. Проводится анализ эффективности созданного ПМК по результатам ее применения для формирования ЭТИ ряда АК.

Представляемое программное и информационное обеспечение разработано для реализации алгоритмов, приведенных в третьей главе. Программные средства разработаны с учетом основных требований, предъявляемых к САПР (экономичность, удобство использования, надежность, универсальность, открытость и т.д.). Программные средства ревизованы на языке TURBO PASCAL 7.0 в MS-DOS 6.2 на базе IBM-PC 486. Созданное программное обеспечение характеризуется следующими параметрами: требуемый объем ОЗУ - не менее 1 МБайт, занимаемый объем на диске - 500 Кбайт. Программное обеспечение разработано в соответствии с основными принципами Слочно-иерар-хичного проектирования сложных систем, в частности, в соответствии с. принципом модульности.

Алгоритм теллофизического проектирования реализуется двумя подсистемами: непосредственного формирования моделей новых АК и применения сформированных моделей к разрабатываемой схеме. Каждая из подсистем реализуется в виде пакетов прикладных программ, имеющих модульно-иерархическую структуру, в которых отдельные модули выполняют какую-либо процедуру. Взаимодействие отдельных модулей осуществляется посредством передачи параметров и данных через общие информационные области, а между пакетами прикладных программ - посредством общей базы данных.

Информационное обеспечение созданного ПМК состоит из информационного фонда и средств управления этим фондом. База данных организована в виде файловой системы. В состав монитора входят средства управления информационным фондом, выполняющим функции еводз, лоиска, просмотра и редактирования информации. Информационный фолд включает в себя данные, содержащиеся в файлах: топологические, теплофизкческие и конструктивные параметры АК; библиотеку сформированных моделей конкретных типов АК; библиотеку стандартных параметров АК; исходные данные для моделирования; результаты моделирования и формирования модели; архив результатов моделирования; массивы промежуточных данных.

Созданное программное обеспечение применено для проведения

теплофизического проектирования полупроводниковым АК с различными технологиями изготовления и конструктивными особенностями. Для исследуемых приборов с помощью разработанного ГОЖ сформированы модели и проведено моделирование температурных полей АК. Как показал анализ результатов моделирования, для достижения относительно хорошей точности необходимо применение полноквадратичной модели.

Применение разработанных программных средств обеспечило повышение эффективности теплофизического проектирования МЗУ за счет детального учета распределения теплового потока в зависимости от режима работы элементов на этапах схемотехнического и топологического проектирования.

Созданные программные средства применялись при разработке ряда изделий Воронежским научно-исследовательским институтом связи , а также ОАО "Видеофон". Разработанное программное обеспечение внедрено на этих предприятиях, а также в учебный процесс на кафедрах САПРиИС и КиПРА ВГТУ. Годовой экономический эффект составил 67 млн. рублей для Воронежского научно-исследовательского института связи и 47 млн. рублей для ОАО "Видеофон" в ценах 1997 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Созданы модели эквивалентных тепловых источников в АК, отличающиеся возможностью получения геометрической конфигурации области тепловыделения и реального распределения плотности теплового штока в различных режимах работы АК.

2. Разработан алгоритм проведения вычислительного эксперимента по исследованию электротеплоЕых процессов в полупроводниковых АК, основанный на решении фундаментальной системы уравнений полупроводников, дополненной уравнением теплопроводности, и позволяющий определять зависимости плотности теплового потока от электрических режимов работы и координат области тепловыделения.

3. Предложен алгоритм формирования моделей эквивалентных тепловых источников в АК на базе вычислительного эксперимента, учитывающий элетрические и топологические параметры АК при определении размеров и характеристик тепловыделяющих областей.

4. Синтезированы тепловые модели активных компонентов, учи-

'гьшащие их режимы работы при определении плотности теплового потока и координат области тепловыделения.

5. Создан алгоритм моделирования температурных полей на этапах схемотехнического и конструкторско-топологического проектирований на основе сформированных моделей АН.

6. На базе предложенных моделей, методов и алгоритмов разработан ШК формирования тепловых источников АК в МЗУ, позволяющий оценивать тепловые режимы устройств на этапе схемотехнического проектирования и улучшать точность моделирования температурных полей на этапе кснструкторско-топологического проектирования за счет применения моделей эквивалентных тепловых источников в АК, учитывакщих их режимы работы к соответствующие им реальные величины и распределения тепловых потоков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Чепелев М.Ю. Разработка тепловых моделей активных элементов ВИС//Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр.-Воронеж., 1995. С.30-34.

2. Макаров 0.Ю., Муратов A.B., Чепелев М.Ю. Моделирование тепловых источников в активных компонентах интегральных схем//Ма~ тематическое обеспечение высоких технологий в технике, образовании и медицине: Тез. докл. Всерос.совещания-семинара 26 июня - 1 июля 1995 года. Воронеж: ВГТУ, 1995. С.156-157.

3. Чепелев М.Ю., Макаров О.Ю., Муратов A.B. Подсистема опережающего теплофизического проектирования в САПР ВИС//Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: Тез. докладов Третьей Всероссийской научно-технической конференции 8-13 сентября 1996. Таганрог-Дивноморье : ТРТУ, 1996. С.144.

4. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Чепелев М.Ю. Структура комплекса средств опережающего теплофизического проектирования БИС//0пт:{мкзация и моделирование в автоматизированных системах: МежЕуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 1996. С.30-36.

5. Чепелев М.Ю. , Макаров О.Ю.. Муратов A.B. Применение опережающего теплофизического проектирования при разработке БИС//Ак-туальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Тез. докл. науч. конф., Пенза:

Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1996. 4.1. С.152-154. .

6. Макаров О.Ю., Муратов A.B.., Чепелев М.Ю. Применение подсистемы опережающего теплофизического проектирований з САПР БИС//Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине: Тез. докл. Всероссийского совещания-семинара 26-29 июня 1996 года. Воронеж: ВГТУ, 19913, Ч. II С. 78.

7. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Чепелев М.Ю. Расчет параметров эквивалентных тепловых источников активных компонентов ВИС//Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Тез. докл. междунар. науч. -тех. конф. 26-31 мая 1997.- Пенза : Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1997. С.140-141.

8. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Чепелев М.Ю. Учет влияния температурных зависимостей при схемотехническом проектировании/У Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж, 199?. С.28-32.

9. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Чег.елев М.Ю. Автоматизированное формирование моделей тепловых источников в полевых транзисто-рах//Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине: Всерос. совещание-семинар 28-31 мая 1997 Г. Воронеж: ВГТУ, 1997. 136 е.. «Л. С. 16.

10. Чепелев М.Ю. , Муратов A.B., Стогней В.Г. Конвактивный теплообменник//Процессы теплообмена в энергомашиностроении: Тез. докл. Регионального межвуз. семинара - Воронеж: ВГТУ, 1997. С.31.

11. Муратов A.B., Чепелев М.Ю., Стогней В.Г. Неустановившиеся процессы в конвективных теплообменниках/УПроцессы теплообмена в энергомашиностроении: Тез. докл. Регионального межвуз. семинара - Воронеж: ВГТУ, 1997. С.45.

12. Муратов A.B., Чепелев М.Ю., Стогней В.Г. Компактный нагнетатель систем охлаждения радиоэлектронных аппаратов//Высокие технологии в технике, медицине и образовании: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: ВГТУ, 1997. Ч. 3. С. 44-49.