автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Модели и алгоритмы проектирования микросхем преобразователей напряжения

На правах рукописи

Глухов Александр Викторович

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОСХЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

| г; ;;,! .. и

005538117

Новосибирск - 2013

005538117

Работа выполнена на кафедре «Системы автоматизированного проектирования» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)

Научный руководитель - Сединин Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Системы автоматизированного проектирования» СибГУТИ, г. Новосибирск

Официальные оппоненты - Жигалов Илья Евгеньевич, доктор технических

наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационные системы и программная инженерия» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ), г. Владимир

Рогулина Лариса Геннадьевна, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Радиотехнические устройства» СибГУТИ, г. Новосибирск

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный

технический университет», г. Новосибирск

Защита диссертации состоится « 04 » декабря 2013 г. в 15.30 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.025.01 при ВлГУ по адресу: г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Автореферат разослан «¿>Л> ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, учёному секретарю диссертационного совета Д 212.025.01

Учёный секретарь // ^

диссертационного совета /¿^у Н. Н. Давыдов

д.т.н., доцент

Актуальность темы исследования и степень её разработанности. Создание современной компонентной базы для альтернативных источников энергии отвечает актуальным задачам повышения эффективности и снижения потребления электроэнергии от вторичных источников электропитания. Сложность решения конструкторских и производственных задач заключается в том, что при бурном развитии микро- и наноэлектроники значительно возросла плотность компоновки элементов на кристалле, что привело к применения исключительно систем автоматизированного проектирования (САПР) при разработках больших интегральных схем (БИС). Варьирование электрических характеристик компонентов БИС значительно увеличивает время проектирования и, следовательно, стоимость изделий. Автоматизированное проектирование позволяет существенно сократить временные и финансовые затраты на разработку большинства БИС, повышая точность расчётов и сокращая объём экспериментальных исследований. Продуктивное использование современного прикладного программного обеспечения позволяет быстро и адекватно моделировать процессы, протекающие в БИС, оптимизировать схемотехнические решения и проверять их работоспособность при внешних воздействиях ещё на этапах проектирования.

Снижение энергоёмкости, обеспечение надёжности и бездефектности функциональных узлов БИС являются сложными задачами, а процесс их производства требует постоянного совершенствования. Из-за высокой функциональной сложности решение этих задач возможно только посредством использования различных методов автоматизации проектирования на основе мощной вычислительной базы. Процесс проектирования и изготовления БИС является многоуровневым, где каждый уровень требует своего математического обеспечения для моделирования и анализа разрабатываемых схем. Эти функции обеспечиваются соответствующими программными продуктами, такими как OrCAD, MAX+PLUS II, MATLAB, TCAD и т.д.

Однако, при использовании названных программных средств возникают проблемы, связанные с отсутствием достоверных SPICE-моделей отечественных полупроводниковых приборов и ограниченности средств тестирования полученных БИС. Для решения этих проблем необходима разработка моделей отечественных полупроводниковых компонентов, тестирующих алгоритмов и программ, что служит основой производства современных БИС.

Большой вклад в формирование и развитие САПР БИС внесли отечественные учёные: И.П. Норенков, В.А. Трапезников, В.Н. Ланцов, A.B. Костров, И.Е. Жигалов и др. Вместе с тем, ряд вопросов связанных с оценкой эксплуатационных характеристик, отладкой производственных цепочек и прогнозированием скрытых дефектов БИС не достаточно глубоко исследованы и являются предметом постоянного внимания схемотехников, конструкторов, технологов. Требуется интеграция и автоматизация процессов проектирования, изготовления и тестирования БИС на всех стадиях производства. Это особенно важно для БИС, работающих в условиях специальных воздействий, например, радиации. Поэтому разработка маршрута проектирования, включая функциональный

и конструкторско-технологический уровни, радиационно- стойких БИС (на примере микросхемы двухполярного преобразователя напряжения постоянного тока) предусматривает создание совокупности математических и имитационных моделей а также исследование их динамических характеристик, используя современные средства автоматизации.

Таким образом, рациональное сочетание имитационного и приборно-технологического моделирования позволит максимально достоверно оценить технико- экономические характеристики БИС и решить проблему реального производства - сохранение высокого процента выхода годной продукции при уменьшении топологических размеров и повышении сложности изделий, а также сократить время на запуск в производство посредством предварительной оптимизации конструкции и отладки технологических процессов.

Объектом исследования являются проектные и технологические процессы организации серийного производства устройств функциональной микроэлектроники.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы автоматизации проектирования микросхем преобразователей напряжения постоянного тока.

Цели и задачи. Основной целью настоящей работы является разработка моделей и алгоритмов автоматизированного проектирования микросхем двух-полярных преобразователей DC-DC, обеспечивающих повышение надёжности, эффективности изготовления, снижение материальных затрат и трудовых ресурсов в процессе производства.

В соответствии с поставленной целью в диссертационном исследовании были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведён анализ современных программных средств автоматизированного проектирования БИС и сделан вывод о необходимости разработки моделей отечественных БИС, алгоритмов и маршрутов для их производства.

2. Созданы имитационные модели для анализа динамических процессов в преобразователях напряжения постоянного тока при внешних воздействиях.

3. Разработана подсистема моделирования характеристик функциональных блоков БИС для повышения качества изделия при минимальных затратах.

4. Разработан алгоритм структурно - параметрического синтеза БИС для оптимизации энергетических, технико-экономических показателей и надёжности.

5. Разработан алгоритм автоматизированного проектирования топологии микросхем преобразователей напряжения постоянного тока в среде TCAD с применением новой технологии формирования КМОП транзисторов «карман в кармане».

6. Выделен оптимальный набор контролируемых параметров и разработана методика проведения испытаний для выявления скрытых дефектов

в процессе производства посредством приборно-технологического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны имитационные модели преобразователей напряжения постоянного тока для анализа физических процессов в динамических режимах и при внешних воздействиях.

2. Разработаны модели функциональных блоков преобразователей для анализа чувствительности к параметрам КМОП транзисторов.

3. Разработан алгоритм структурно - параметрического синтеза БИС и проведена оптимизация энергетических, технико-экономических показателей и надёжности преобразователя напряжения постоянного тока.

4. Разработан алгоритм автоматизированного проектирования топологии микросхем преобразователей в среде ТСАО с применением новой технологии формирования КМОП транзисторов «карман в кармане».

5. Разработана методика и алгоритм проведения испытаний с выделенным набором контролируемых параметров для выявления скрытых дефектов в процессе производства посредством приборно-технологического моделирования.

Теоретическая и практическая значимость работы.

- Разработанная САПР и технологический маршрут в среде ТСАО позволяют проектировать и производить БИС, способные сохранять свои параметры и характеристики в пределах заданных допусков при специальных и других внешних воздействиях и внедрены на предприятиях радиоэлектронной промышленности.

- Созданные библиотеки функциональных компонентов и основных блоков преобразователей напряжения постоянного тока с нормативно- технической базой ограничений в различных программных средах (М1Л/П81М 10, Ог-САО и МАТЬАВ) позволяют сократить временные затраты на разработку новых микросхем и используются при синтезе БИС на предприятиях г. Новосибирска.

- Разработанные имитационные, приборно-технологические модели, алгоритмы схемотехнического, конструкторско-технологического проектирования и программно-технические средства могут использоваться при разработке новых радиоэлектронных устройств для оптимизации технико-экономических характеристик, показателей надёжности а также проведения диагностики возможных дефектов на верхних уровнях проектирования БИС.

- Разработанные имитационные модели компонентов (операционный усилитель, компаратор, генераторы импульсов и т.п.) БИС с использованием пакетов ОгСАО, МАТЬАВ, МЫЬТ181М 10 и тесты выявления скрытых дефектов используются в учебном процессе по направлениям: 210200 «Конструирование и технология производства электронных средств» на кафедре САПР ФГБОУ ВПО «СибГУТИ»; 210100 «Электроника и микроэлектроника», 210108 «Микросистемная техника» на кафедре полупроводниковых приборов и микро-

электроники ФГБОУ ВПО НГТУ, 210106 «Промышленная электроника» на кафедре электроники и электротехники ФГБОУ ВПО НГТУ.

Методология и методы исследования. В работе использованы современные достижения в области САПР радиоэлектронных устройств, математическое программирование и компьютерные технологии. Общей методологической основой являлся системный подход с использованием теории нелинейных электрических цепей, теории автоматического регулирования, методов системного анализа и структурно-параметрической оптимизации. Схемотехническое моделирование проведено с использованием программных продуктов OrCAD, MATLAB, MULTISIM 10, а приборно-технологическое — посредством САПР TCAD Sentaurus.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ организации технологического маршрута изготовления БИС преобразователя напряжения постоянного тока, позволяющего совершенствовать параметры и характеристики получаемых микросхем.

2. Имитационные модели преобразователей напряжения постоянного тока для анализа физических процессов в переходных и динамических режимах и параметризации преобразователей.

3. Алгоритм автоматизированного технологического проектирования БИС в среде TCAD Sentaurus, включающий новую технологию «карман в кармане» формирования КМОП транзисторов.

4. Алгоритм проведения граничных испытаний преобразователей напряжения постоянного тока для выявления возможных дефектов на верхних уровнях проектирования и результаты их тестирования посредством САПР.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием математического аппарата при проведении исследований и совпадением результатов имитационного моделирования с данными натурных испытаний преобразователей напряжения постоянного тока. Результаты диссертации были использованы в хоздоговорных работах на «Новосибирском заводе полупроводниковых приборов с ОКБ» («НЗПП с ОКБ»): «Разработка базовой технологии создания унифицированных электронных модулей - защитных устройств РЭА от перенапряжений в сетях электропитания» (отчет по ОКР «Защита-ВК», № гос. per. У90540, 2009 г., «Разработка базовой технологии создания радиационно-стойкого, высоконадежного сверхстабильного, аттестуемого прецизионного стабилитрона» (отчет по ОКР «Союз»), № гос. per. У91737, 2011 г., «Разработка базовой технологии создания многофункциональных сетевых защитных устройств на основе модулей полупроводниковых ограничителей напряжения высокой импульсной мощности до 150 кВт и специализированных микросхем» (отчет по ОКР «Нож 2»), № гос. per. У92098, 2011 г., «Разработка базовой технологии создания серии модулей полупроводниковых ограничителей напряжения для защиты от сетевых помех средств электропитания и преобразователей электроэнергии» (отчет по ОКР «Серия ПОН»), № гос. per У920097, 2011 г., «Разработка и

освоение производства радиационно-стойкой микросхемы двухполярного DC-DC преобразователя» (отчет по ОКР «Питание 4»), № гос. per. У92378, 2012 г.

В диссертации приведены акты внедрения результатов работы:

Научно-производственное предприятие «Восток», г. Новосибирск по разработке и освоению производства ИС регистрового ЗУ на КМДП-структурах;

«Научно - исследовательский институт полупроводниковых приборов», г. Томск по разработке основ конструкции и базовой технологии КМОП микросхемы интерфейса управления СВЧ модулями, а также интегрального драйвера светодиодов с управлением по среднему току;

«НЗПП с ОКБ», г. Новосибирск по разработке и освоению производства радиационно-стойкой микросхемы двухполярного DC-DC преобразователя, а также по разработке технологии изготовления конструкции квадратного модулятора-преобразователя.

Результаты, полученные в работе на разных этапах её выполнения, докладывались и обсуждались на:

- Международной научно—технической конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта», Москва, 2013 ;

- Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 2012;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2008, 2011;

- Межотраслевой научно-практической конференции, организованной Ассоциацией «Электропитание», Москва, 2011 и Санкт-Петербург, 2012.

Основные результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, опубликованы в 20 печатных работах (из них 3 патента, 4 заявки на изобретения), 4 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Работа содержит 185 страниц машинописного текста из них 8 страниц приложений, 96 рисунков, 8 таблиц и 150 наименований используемых литературных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи исследования, показана научная новизна работы и практическая значимость результатов. Приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Автоматизация проектирования БИС» проведён анализ существующих САПР БИС, которые различаются типами выполняемых проектных процедур и ориентированы на какие- либо разновидности радиоэлектронных изделий. Проведённый сравнительный анализ позволил сформировать последовательность процедур на маршруте проектирования БИС, представленном на рисунке 1.

Рисунок 1- Маршрут проектирования БИС

Типовой маршрут проектирования БИС включает следующие процедуры:

- формирование абстрактного описания проекта для составления последовательности операций;

- выбор технологии изготовления и типов функциональных блоков из имеющихся в библиотеке функциональных компонентов (операционных усилителей, интеграторов, регистров, ключей и т.п.);

- составление последовательности операций с учетом типов функциональных блоков и исходных данных для их синтеза;

- разработка моделей устройств на регистровом уровне (синтез схем функциональных блоков);

- верификация выбранного решения;

- разработка логических схем путём перевода операционной модели в модель логического (вентильного) уровня с помощью компиляторов и библиотек логических элементов;

- оптимизация и верификация разработанных логических схем;

- синтез алгоритмов тестирования и тестовых наборов;

- конструкторско-технологическое проектирование, которое включает в себя процедуры планирования кристалла, размещения на нем компонентов и топологию соединений;

- верификация динамических параметров схемы с учётом задержек в соединениях.

В известных САПР учёт физических характеристик (таких как задержки в элементах и их соединениях и т.д.) осуществляют на заключительных этапах, где в итерационном цикле проектирования приходится выполнять дополнительные итерации, что значительно удлиняет время разработки в случае, когда быстродействие схемы оказывается неудовлетворительным.

Во избежание этого, в предлагаемом маршруте автоматизированного проектирования физические характеристики учитываются на более ранних этапах. На системном уровне ориентировочно определяется взаимное расположение блоков структурной схемы на кристалле и внешних выводов блоков, что позволяет оценивать длины связей и задержки при передаче данных уже на ранних стадиях разработки изделия. Это позволит на функционально-логическом уровне структурного синтеза получить не только работоспособное решение, но и достичь оптимального удовлетворения требований к быстродействию, рассеиваемой мощности, площади кристалла и тестируемости схемы. Для эффективности формализации процедур структурного синтеза использовались специализированные программы OrCAD, MATLAB и MULTISIM 10 с целью имитации динамических режимов работы. Оценка параметров синтезированных схем и проверка их работоспособности выполнялась анализом функциональных и логических схем посредством программ моделирования, которые ориентированы на системный, регистровый или логический уровни. Математическое обеспечение для схемотехнического анализа включает в себя методы формирования математических моделей схем в виде систем обыкновенных дифференциальных уравнений и методы численного интегрирования нелинейных уравнений, которые составляются на основе моделей электронных компонентов.

Анализ современных программ схемотехнического моделирования показал, что существует проблема их широкого применения ввиду отсутствия достоверных SPICE-моделей отечественных полупроводниковых приборов и ограниченностью средств тестирования БИС. Для решения этой проблемы необходима разработка моделей современных отечественных компонентов и устройств на их основе, а также САПР для запуска в производство разрабатываемых современных БИС. При этом можно использовать зарубежные аналоги, которые включены в библиотеки программ, а также справочные и/или экспериментальные данные, с помощью которых создаются необходимые модели (программа Parts-пакет PSpice, Model-система Micro-CAP, PSpice Model Editor-система OrCAD 9.x и т.п.).

Приборно-технологическое моделирование (рисунок 1) обеспечивает расчет концентрационных профилей легирования используемых примесей в вертикальном и горизонтальном направлениях в двумерной структуре компонентов.

Актуальность проблемы тестирования обусловлена ограниченными управляемостью и наблюдаемостью БИС, так как при нескольких тысячах транзисторов на кристалле имеется лишь несколько десятков внешних выводов. В цикле проектирования БИС синтез тестов занимают примерно третью часть времени, поэтому решение задачи разработки адекватных моделей для анализа динамических режимов на ранних стадиях проектирования при приемлемой достоверности обнаружения константных неисправностей сохраняет постоянную актуальность.

Во второй главе «Автоматизированное схемотехническое проектирование БИС» проведён анализ преобразователей напряжения постоянного тока (ППН). На основании анализа установлено, что конструкция ППН, основанная на сочетании в одном кристалле двух ШИМ-модуляторов, источника опорного напряжения, системы обратной связи по току и напряжению, а также силовых МОП-транзисторов, является перспективной для обеспечения современных технических требований, предъявляемых к таким микросхемам. На рисунке 2 представлена структурная схема разрабатываемого двухканального ППН,

ИОН - источник опорного напряжения; ДР1.ДР2 - драйверы управления силовыми МОП транзисторами;

ГПН - генератор пилообразного напряжения; ЗТ1, ЗТ2 - защита по току,

РМС - регулятор максимальной скважности; Т1. Т2 - триггеры;

ПН - преобразователь напряжения; 0У1 оу2 . операционные усилители;

COMP 1, COMP 2 - компараторы.

Рисунок 2 — Схема разработанного двухканального импульсного преобразователя постоянного тока

объединяющая в своём составе два типа схем преобразователей (понижающего и инвертирующего). Принцип работы схемы состоит в следующем: генератор пилообразного напряжения (ГПН) формирует пилу, поступающую на входы

компараторов COMP 1 и COMP 2, а также короткие запускающие импульсы, длительностью около 5% от периода пилообразного напряжения, поступающие на S-входы асинхронных RS-триггеров Т1 и Т2. Период ГПН определяется внешними элементами R2 и С1. Сигналы обратных связей FB+ и FB- сравниваются с опорным напряжением 3.15 В, усиливаются усилителями ОУ1, ОУ2 и передаются на вторые входы COMP 1 и COMP 2. Выходы компараторов соединены со R-входами триггеров Т1 и Т2 для формирования автоматического регулирования выходных напряжений. На R-входах триггеров по логической связи ИЛИ объединены сигналы ограничения тока силовых транзисторов, а также логический вход, который обеспечивает перевод БИС в ждущий режим сигналом +5B(SA1). Для такого режима характерно снижение тока потребления и обнуление выходных напряжений. Питание системы управления обеспечивает микромощный преобразователь напряжения ПН, формирующий напряжение 5В. Так как температурная стабильность рабочего напряжения стабилитрона зависит от тока стабилизации, то опорное напряжение задаётся термоком-пенсированным радиационностойким стабилитроном типа 2С198А, а его ток -внешним резистором.

Аналогия регулировочных характеристик, а так же параметров коммутирующих элементов понижающего и инвертирующего ППН, позволило сконструировать практически одинаковые системы управления. В положительном источнике предусмотрена схема вольтодобавки для надёжного отпирания МОП-транзистора при низких напряжениях питания (18 В). На схеме рисунка 2 она представлена элементами С2 и VD2.

Для установившегося режима понижающего ППН изменение тока индуктивности LI определяется выражением (1):

дг _ т _ г _ (U/у ~Цо1гпУорт/1 _ ^о\п\(Т ~ tppFN\)

~ lrnax Llmin — ^j ~ L\ '

где t0PENl - интервал открытого состояния транзисторного ключа VT1, ¡!Amx (/tlnm)- максимальные и минимальные значения тока I ¡л.

Для инвертирующего режима (2):

д J _ ^INKOFEN! _ ~ Uоитг Ф ¡ОРШ2 ) .

L L2 L2 { '

где tOPEN2 - интервал открытого состояния транзисторного ключа VT2.

Предлагаемое схемотехническое решение микросхемы ППН обладает следующими достоинствами - широким диапазоном входных напряжений, что расширяет область её применения и пониженным током потребления, что подразумевает более высокий коэффициент полезного действия.

В третьей главе «Параметризация функциональных блоков БИС на стадии проектирования» предложен способ параметризации элементов ППН, основанный на использовании базовых моделей пакета OrCAD, варьируемыми параметрами которых являются схемотехнические и конструкторские компоненты, соответствующие реальным тестируемым структурам. Использование

базовых моделей позволяет учесть не только электрические, но и тепловые режимы работы, что обеспечит надёжное функционирование БИС. Для реализации данного способа разработан программный блок, написанный на языке Си, который задаёт маршрут и отвечает за подключение функциональных элементов при проведении анализа, что существенно сокращает временные затраты на создание общей схемы (рисунок 3).

Рисунок 3 — Схема взаимодействия модулей при выполнении анализа

Перед началом параметризации сценарий, управляющий тестовой схемой, настраивает рабочую среду САПР, подключая необходимую библиотеку, и задаёт начальные значения параметров. Далее выполняется минимизация целевой функции (3):

F(J„om - if1 - cos ср-\Umk, Я, T~} ) -> min ? (3)

которая включает критерии оценки качества преобразования электрической энергии (потребляемый ток ^пот» коэффициент полезного действия т], коэффициент мощности нагрузки cos ф, действующее значение пульсаций напряжения гармонических составляющих Umk) и надёжности (интенсивность отказов X, срок службы Т„). Рассчитываются характеристики проектируемой БИС. Сценарий программы предусматривает изменение маршрута прохождения сигнала в тестируемой схеме для каждой последующей итерации и изменение параметров исследуемого преобразователя или отдельных элементов схемы. По полученным результатам автоматически строятся графические зависимости, где отмечаются характерные точки и значения, что позволяет повысить его информативность. Разработанная методика позволяет всесторонне исследовать отдельные устройства. При этом процесс оптимизации занимает относительно небольшое время, что существенно сокращает общие временные затра-

ты на проектирование. Методика позволяет работать с любыми другими аналоговыми блоками после соответствующего изменения сценария.

В результате выполнения автоматизированной структурно - параметрической оптимизации на этапе схемотехнического проектирования получены принципиальные схемы отдельных блоков БИС. На рисунке 4 представлены электрическая схема (а) и результаты моделирования физических процессов в понижающем ППН (б).

б)

Рисунок 4 -Электрическая схема модели понижающего ППН (а) и временные зависимости в контрольных точках (б)

В процессе выполнения структурно - параметрической оптимизации ППН проводилась минимизация целевой функции (3) при варьировании параметрами транзисторов, активных и реактивных элементов схемы, а также структур основных блоков. Во всём рабочем диапазоне мощностей с учётом отклонений входного напряжения (и^) осуществлена проверка характеристик

13

ППН. В качестве примера приведены следующие зависимости: статического тока потребления 1Сс от входного напряжения иш и температуры Т (рисунок 5 а); КПД от тока нагрузки Iu и входного напряжения UIN (5 б).

мА 16,0 12,0 8,0 у

4 У

Л У

f

12.0 24,0 36,0

а)

кпд

Рисунок 5 - Зависимости: статического тока потребления 1Сс от входного напряжения Um и температуры Т (а); КПД от тока нагрузки 1Ы и входного напряжения Uin

Из представленных графических зависимостей следует, что основным достоинством разработанной БИС является широкий диапазон входных напряжений и малый потребляемый ток, что подразумевает более высокий КПД и позволяет расширить область её применения.

Для повышения надёжности БИС необходимо проводить натурные испытания при различных внешних воздействиях. Разработанные имитационные модели позволяют снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации реальных устройств, а автоматизация проектирования - в короткие сроки создавать принципиальные схемы, их топологию и подготавливать к производству. При разработке принципиальных схем в работе использован алгоритм функционального синтеза, приведённый на рисунке 6, где выполняется составление схем на основе существующих и созданных библиотек элементов и устройств в пакетах ОгСАБ и МАТЬАВ. Интеграция этих программ проводилась посредством интерфейса Р8р1сс 8ЬР8. Алгоритм предполагает локальное добавление функциональных элементов, разработанных конкретно под условия задачи. На базе представленного алгоритма разработан ряд устройств для светотехники.

Графическое обозначение и формализованное описание

Рисунок 6 - Алгоритм функционального синтеза в среде ОгСАП

15

На рисунке 7 приведена имитационная модель источника вторичного электропитания светодиодов с внешними подключениями.

£ п. Edt №t« (^«oeie Vte« OptkM TMb Marteri «rtido« Hein _

ПЙВв S ff i -1С т-Cit «Ш

«! fllit1

-............Щ

.......ф>

г _г

„

"П1

Л

m vi.

■i&>......Gb

7=1?

Iii—litzS

wn W~

»I — .p-1 =1.

■Ш"........1...........1......

Рисунок 7 - Имитационная модель источника вторичного электропитания светодиодов

Увеличение срока службы светодиодов и повышение точности регулирования тока обеспечивается изменением длительности сигнала управления на затворах транзисторов Tl, Т2, поступающего с выхода схемы совпадений DD3 на один из входов которой поступают прямоугольные импульсы с выхода RS-триггера а на другой - сигнал «сброса» или сигнал диммирования. После запуска схемы и окончания интервала задержки, осуществляется ограничение пикового значения тока светодиодов (на уровне 750 мА). Стабилизация тока светодиодов осуществляется методом ШИМ. В компараторе DA5 происходит сравнение выходного напряжения интегратора с пилообразным напряжением и на выходе формируется ШИМ-сигнал сброса RS-триггера. В случае возникновения аномальных режимов срабатывает защита, блокируя затвор транзистора tl сигналом с выхода DA2. Режим диммирования моделировался путем

изменения сигнала источника V2.

Проверка функционирования разработанной схемы проводилась с использованием эквивалента светоизлучающего диода в виде последовательно включенных резистора и источника порогового напряжения, а также моделей свето-

16

излучающих диодов из библиотеки ОгСЛЭ согласно алгоритму рисунка 6. На рисунке 8 демонстрируется включение устройства питания на линейную модель цепочки светодиодов с напряжением смещения 9,45 В и активным сопротивлением 1,6 Ом.

;

- Генератор гпиты

ш.

ш

в:

Ш11

Ток датчика

а^^ЧК^А

Ток'ЬЕГ)

05 5 045 1 00115 t 150Ц5

п и(г7:2) < и((!а5:ро5) и(с1аН:ои1) д-1(11)

Т1пе

• Интегратор

ЩЩл

5м

Рисунок 8 - Применение линейной модели при включении

Результаты проведенных исследований, показали, что ограничение максимального значения коэффициента заполнения на уровне 0,5 обеспечивает плавное нарастание тока при включении источника вторичного электропитания светодиодов, что снижает уровень перенапряжений и бросков тока, уменьшается время переходных процессов и исключается необходимость параллельного подключения ограничителей (резисторов или варисторов). Последнее приводит к повышению надёжности и результирующего КПД. Кроме того, предлагаемое устройство питания имеет высокое быстродействие, так как время срабатывания цифровых устройств исчисляется единицами наносекунд.

В четвертой главе «Маршруты технологического процесса изготовления БИС» разработан перспективный технологический маршрут, особенностью которого является возможность внесения коррекций в базовые операции, что позволяет получать уникальные приборы и дает широкие возможности совершенствования параметров и характеристик полученных БИС. Кристаллы разработанной схемы управления изготовлены по базовой КМОП-технологии с кольцевым самосовмещённым поликремниевым затвором. Последовательность операций маршрута приведена на рисунке 9, где исходным материалом изготовления элементов управляющей БИС служат эпитаксиальные структуры типа

100 1ЖЭФ-4.5 460КЭС- 0.01(100)'

Начало

г1"

Первое окисление

ПХТ ЭЮг

«I» фотолито-I графия

Травление ЭЮг

г 5-1-

Ионное легирование «Р-карман»

б-1-

Перераспределение « Р-карман »

- 7-*-

«II» фотолитография

Ионное легирование «1М-карман» -1-

Перераспределение «М-карман»

•10-

«III» фотолитография

Травление БЮг

Окисление термическое

Ионное легиро -вание«Подле-гирование»

«IV» фотолитография

-15-

Травление ЗЮ2

Тонкое окисление

г 17;

Нанесение поликремния

БГ

Т

«V» фотолитография

19-1-

Травление БГ

г 20-1-

«VI» фотолито графия

Отжиг

Г 28-

«VIII» фотолитография

-29-

21

Ионное легирование «Обл п++»

22-1-

«VII» фотолитография

Ионное легирование «обл р++»

-24-

Отжиг

25-1-

БЮг нелегированный

Осаждение БФСС

Травление БФСС

Напыление металла

«IX» фотолитография

Травление А1

Осаждение ЗЮ2

,34 +

«X» фотолитография

35--*-

Травление

БЮг

( Конец ]

Рисунок 9 - Технологический маршрут

Одной из главнейших задач при проектировании данного технологического маршрута является внедрение технологии формирования «кармана в кармане», никогда ранее не применявшейся на предприятиях России. При разработке САПР для технологического проектирования КМОП транзисторов по новой технологии применялась система ТСАБ ЗепЬшгиз. Технологическая модель строилась по алгоритму, приведённому на рисунке 10, где параметры модели вводятся в подсистеме вРгосезз. Такой подход к технологическому проектированию позволил определить важнейшие параметры топологии БИС, такие как глубины залегания р-и-переходов, поверхностные концентрации активных примесей в различных областях структуры, электрофизические параметры, как отдельных областей, так и готовых элементов, входящих в состав БИС.

Рисунок 10 - Алгоритм технологического проектирования в среде ТСАЭ Зе^аигиэ

Для формирования Р-канальных транзисторов, с целью обеспечения необходимых параметров схемы и сохранения параметров мощного силового транзистора предусмотрено формирование «ТМ-кармана» в «Р-кармане». При этом напряжение пробоя «Р- карман» - «подложка» должно быть не менее ипр = 60 В. Необходимо также обеспечить достаточную глубину залегания «Ы-кармана», но не допустить «прошивания» границ «Р-кармана» (см. рисунок 11).

Результаты моделирования показали, что при формировании «Р-кармана», использование стандартной для КМОП технологии, дозы ионного^ легирования бора Д=1,6 мкКл/см2, при энергии легирования Е - 40 кэВ достаточно для обеспечения напряжения пробоя «Р-карман» - «подложка» более ип? = 60 В. Режим разгонки примеси разработан на основе стандартного для КМОП технологии режима разгонки «Р-кармана» КГ-канальных транзисторов, с поправкой на время разгонки, для обеспечения необходимой глубины залегания кармана. Уточнённое время разгонки составляет 6 ч в инертной атмосфере.

В ходе работы были смоделированы технологические маршруты изготовления Р- и Ы-канальных транзисторов, получены их двумерные геометрические структуры в среде ТС А Б Бетащпв и исследованы их особенности. Полученные данные были использованы при подготовке итоговых комплектов фотошаблонов для изготовления транзисторов.

Первое окисление

Гх

Вскрытие активных областей, формирование Р-карманов

ТС

ИЛ Б Д=1.6 мкКл/см2, Е=40к»В

ишшшшщ

Вскрытие окон под легирование N-карманов, формирование

Ы-карманов__

ИЛФ Д=4 мкКл/см2,

Е=60кэВ вю.

."■ р-кармаН*

Тонкое окисление, подлегирование каналов Р-канальных траизистров

Жертвенный ИЛБ Д'0.15 мкКл/см2, окисел „ Е=40кэВ

I" \ 11111 / 2

Удаление тонкого окисла

р-кэрмэн

[Х'л--

КЭФ-4,6^

Формирование подзатворного диэлектрика, нанесение поликремния

Ро5уё5 ё»©!

N \V-^п-кармэн

Травление поликремния, формирование истоков и стоков р-канальных транзистров_

-карман БФСС Р1 И Р°!У3' 8Ю2

^пчгарман , \

'^Л' ч ч ч \\ \

Нанесение алюминия

р-карман БфСС

Алюминий

Травление алюминия, нанесение защитных слоев_

Алюминий

РоМЭ)

1

( Конец )

Рисунок 11 - Этапы формирования типового Р-канального транзистора

На основе разработанной принципиальной электрической схемы ППН разработана топология кристалла. Основной задачей на этапе разработки топологии является размещение и трассировка элементов БИС на кристалле. После размещения, компоновки и трассировки площадь всех библиотечных элементов заняла около 80 % площади кристалла. Проектирование топологии завершается проверкой на соответствие нормам и «Правилам проектирования топологии» а также верификация топологии на соответствие принципиальной схеме согласно методике проверки топологических схем с использованием редактора ЬауЕй. Разработанная топология кристалла микросхемы представлена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Топология кристалла микросхемы преобразователя напряжения постоянного тока

В результате разработки топологии ППН получена площадь кристалла 4,6x4,25 мм с размещёнными на ней активными элементами в количестве 864 шт.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы:

1. Разработан алгоритм автоматизированного технологического проектирования в среде ТСАБ БеШаигиз на основе новой технологии формирования «кармана в кармане», позволяющий объединить производство в единый технологический цикл и получить высоковольтный мощный силовой транзистор с управляющей схемой любой сложности на одном кристалле.

2. Разработаны интегрированные в САПР тесты для диагностики скрытых дефектов на уровне топологического проектирования методами неразрушающего контроля с целью повышения качества и надёжности выпускаемой БИС.

3. Разработаны имитационные модели функциональных блоков БИС для анализа физических процессов в динамических режимах при внешних воздействиях и методы их параметризации, позволяющие оптимизировать технико-экономические характеристики и показатели надежности.

4. Разработан технологический маршрут БИС, позволяющий определить численные значения важнейших параметров БИС, такие как глубины залегания р-и-переходов, поверхностные концентрации активной

примеси в различных областях структуры, электрофизические параметры, как отдельных областей, так и готовых элементов, входящих в состав БИС, а также вносить поправки в базовые операции, что является направлением к совершенствованию параметров и характеристик получаемых микросхем.

Предложенные в работе решения, соответствуют современной тенденции развития методов автоматизированного проектирования сложных радиоэлектронных схем, их оптимизации на этапах проектирования, которые направлены на повышение эффективности и надёжности, так как позволяют выявлять возможные дефекты на ранних этапах проектирования и устранять их с минимальными затратами. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о возможности широкого внедрения и использования предложенной автоматизированной системы схемотехнического и конструкторско-технологического проектирования БИС на промышленных объектах не только г. Новосибирска, но и РФ в практических разработках.

Перечень основных публикаций по материалам диссертации

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК России:

1. Глухов, A.B. Автоматизированное проектирование драйверов в среде OrCAD [Текст] / A.B. Глухов, Л.Ю. Рогулин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. -2013. - Том 19, №2. - С. 291-297.

(Соискатель - 80%)

2. Глухов, A.B. Моделирование рабочих процессов цифровых фильтров высокоскоростного модулятора для PLC модемов [Текст] / A.B. Глухов, A.A. Алексеев, Г.В. Перов, В.И. Сединин // Вестник СибГУТИ. -2013. -№3. -

С. 78-85. (Соискатель - 70%)

3 Глухов A.B. Оптимизация параметров цифровых фильтров высокоскоростного модулятора для PLC модемов [Текст] / A.B. Глухов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. -2013. - Том 19, №4. - С. 749-756.

4 Глухов, A.B. Разработка технологического маршрута проектирования микросхем DC/DC преобразователей [Текст] / A.B. Глухов, В.И. Сединин // Вестник СибГУТИ. -2013. -№4. - С. 46-54. (Соискатель - 80%)

Патенты:

5. Глухов, A.B. Буферное запоминающее устройство [Текст] / A.B. Глухов// Патент РФ № 1462421 AI, 1986.

6. Глухов, A.B. Постоянное запоминающее устройство [Текст] / A.B. Глухов // Патент' РФ № 1635219 AI, 1989.

7. Глухов, A.B. Цифровая линия задержки [Текст] / A.B. Глухов //

Патент РФ № 1709517 AI, 1989.

8. Глухов, A.B. Конструкция кварцевой ампулы для диффузии легирующих примесей в кремний (диффузии мышьяка) с встроенным приспособлением для управления скоростью последиффузионного охлаждения кремниевых р-п- структур [Текст] / A.B. Глухов, С.П. Скорняков, Г.В. Перов // Заявка на изобретение № 2012121928 от 28.05.12 г. (Соискатель - 70%)

9. Глухов, A.B. Способ управления и стабилизации скорости после-диффузионного (диффузия мышьяка) охлаждения низковольтных (~6В) кремниевых планарных структур прецизионных стабилитронов и устройство для его осуществления [Текст] / A.B. Глухов, С.П. Скорняков, Г.В. Перов // Заявка на изобретение № 2012121929 от 28.05.12 г. (Соискатель - 60%)

10. Глухов, A.B. Устройство защиты светодиодов от перегрузок [Текст] / A.B. Глухов, Л.Ю. Рогулин // Заявка на изобретение № 2013109498 от 04.03.13 г. (Соискатель - 80%)

11. Глухов, A.B. Устройство управления освещением по среднему значению тока [Текст] / A.B. Глухов, Л.Ю. Рогулин // Заявка на изобретение N° 2013104855 от05.02.13 г. (Соискатель-80%)

Публикации в других изданиях:

12. Глухов, A.B. Электронные компоненты вьгсокой мощности для систем защиты РЭА от импульсных перенапряжений [Текст] / A.B. Глухов, А.Г. Цветиков, А.Н. Акулов, С.П.Скорняков, Г.В. Перов // Электропитание. -2011 -№4.-С. 17-22. (Соискатель -50%)

13. Глухов, A.B. Установка контроля импульсного напряжения ограничения систем защиты источников электропитания высокой мощности [Текст] / А.Г. Цветиков, A.B. Глухов, Г.В. Перов // Электропитание. -2011. - №4. - С 23-26. (Соискатель-70%)

14. Глухов, A.B. Метрологическое обеспечение при моделировании проводимости ультратонких диэлектриков с неоднородной границей в среде TCAD SETAURUS [Текст] / Г.В. Перов, A.B. Глухов, A.A. Алексеев, В.И. Се-динин // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Материалы XI международной конференции АПЭП - 2012, Т.З Новосибирск ,2-4 октября

2012. - Новосибирск: НГТУ, 2012. - С. 112 -115. (Соискатель - 60%)

15. Глухов, A.B. Проектирование программируемого интерполирующего фильтра для СБИС цифрового модулятора-преобразователя [Текст] / A.A. Алексеев, A.B. Глухов, Л.Г. Рогулина // Актуальные проблемы электронного приборостроения: Материалы XI международной конференции АПЭП - 2012, Т.З Новосибирск ,2-4 октября , 2012. - Новосибирск: НГТУ, 2012 - С 116 -119. (Соискатель - 70%)

16. Глухов, A.B. Электронные компоненты высокой мощности для систем защиты РЭА от импульсных перенапряжений [Текст] / A.B. Глухов, А.Г. Цветиков, А.Н. Акулов, С.П.Скорняков, Г.В. Перов // Силовая электроника -2012. - №3. - С. 28-33. (Соискатель - 50%)

17. Глухов, A.B. Проектирование цифровых интерполирующих фильтров высокоскоростного цифрового квадратурного модулятора для PLC модемов [Текст] / A.A. Алексеев, A.B. Глухов, Г.В. Перов // Электропитание -2012 - №3. - С. 46-50. (Соискатель - 65%)

18. Глухов, A.B. Развитие функциональных возможностей TCAD ФАКТ с целью расчета электрофизических параметров и расширения графического интерфейса [Текст] / С.В. Калинин, A.B. Глухов, Д.О. Кузнецов // Россий-

екая научно-техническая конференция. Материалы. Т. 1. Новосибирск : Сиб-ГУТИ, 2008. С. 416-417. (Соискатель - 80%)

19. Глухов, A.B. Моделирование характеристик и параметров КМОП транзисторов на основе TCAD SenTaurus [Текст]/ A.B. Глухов, C.B. Калинин, A.C. Черкаев // Российская научно-техническая конференция. Материалы. Т. 1. Новосибирск: СибГУТИ, 2011. С. 448-449. (Соискатель - 75%)

20 Глухов, A.B. Разработка маршрута проектирования микросхем DC-DC преобразователей [Текст] / A.B. Глухов, В.И. Сединин, Л.Г. Рогулина // XIII- международная конференция. Тезисы XIII - международной конференции. Под ред. Е.И. Артамонова. М.: Институт проблем управления РАН. - 2013. С. 27. (Соискатель - 70%)

Подписано в печать 28.10.2013г. Формат бумаги 60 х 84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10, изд. л. 1,5 заказ № 78, тираж - 100 экз., СибГУТИ. 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, д. 86

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

На правах рукописи

Г

04201456254

Глухов Александр Викторович

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МИКРОСХЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность: 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сединин Валерий Иванович

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................................................................4

1 СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИМС ППН..............11

1.1 Автоматизация проектирования ИМС........................................................................................11

1.2 Автоматизация проектирования топологии ИМС ППН......................................31

1.3 Постановка задачи исследования..........................................................................................41

2 АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИМС ППН....................43

2.1 Маршрут проектирования ППН..............................................................................................43

2.2 Модель КМОП- транзистора..................................................................................................53

2.3 Математические модели ППН..................................................................................................59

2.4 Выводы по главе 2............................................................................................................................77

3 ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ ИМС НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ..........................................................................................................................79

3.1 Параметризация блоков ИМС с использованием пакета

MULTISIM 10..............................................................................................................................................79

3.2 Параметризация блоков ИМС посредством имитационного моделирования в OrCAD и MATLAB....................................................................................100

3.3 Выводы по главе 3........................................................................................................................118

4 МАРШРУТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМС ППН................................................................................................................................................119

4.1 Выбор технологии изготовления компонентов ИМС ППН..........................119

4.2 Разработка топологии ИМС ППН........................................................................................128

4.3 Методы проведения испытаний для выявления скрытых дефектов

ИМС ППН......................................................................................................................................................................................................131

4.4 Алгоритм испытаний по оценке производственных и

конструктивно-технологических запасов....................................................................................................144

4.5 Оценка показателей надёжности ИМС ППН............................................................................150

4.6 Оценка показателей технологичности БИС..................................................................154

4.7 Выводы по главе 4............................................................................................................................158

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................................................................................160

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..........................................................................................................................162

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ А Справка о внедрении в ФГОБУ ВПО «НГТУ»........................179

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Справка о внедрении в ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»................180

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акт внедрения на ОАО «НЗПП с ОКБ» ....................................181

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акт внедрения на ФГУП «НПП Восток» ....................................183

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Акт внедрения на ОАО «НИИПП»....................................................185

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень её разработанности.

Сложность решения схемотехнических, конструкторских и технологических задач подготовки производства интегральных микросхем (ИМС) заключается в том, что при бурном развитии микро- и наноэлектроники значительно возросла плотность компоновки элементов на кристалле. При этом возрастает влияние помех за счёт ёмкостных связей, сопротивлений шин питания (земли) и индуктивностей проводов на физические процессы в ИМС. Итерационные, процессы проектирования, связанные с варьированием электрических характеристик компонентов ИМС на схемотехническом уровне и анализом проектных решений на заключительном этапе верификации с учётом названных эффектов, значительно увеличивает время проектирования и, следовательно, стоимость изделий. Возникает необходимость в создании новой методологии автоматизированного проектирования с интеграцией системного, логического, схемотехнического и топологического уровней, которая позволит существенно сократить временные и финансовые затраты на разработку большинства ИМС, повышая точность расчётов и сокращая объём экспериментальных исследований. Продуктивное использование современного прикладного программного обеспечения позволяет быстро и адекватно моделировать физические процессы, протекающие в ИМС, оптимизировать схемотехнические и топологические решения, проверять их работоспособность при внешних воздействиях и вариациях технологических параметров на нижних уровнях проектирования.

Процесс проектирования ИМС является многоуровневым и каждый уровень требует своего математического аппарата для моделирования и анализа. Эти функции обеспечиваются соответствующими программными продуктами, такими как ОгСАХ),

MAX+PLUS II, MATLAB, TCAD и т.д. Однако, при использовании названных программных средств возникают проблемы, связанные с отсутствием достоверных SPICE-моделей отечественных полупроводниковых приборов и ограниченности средств тестирования полученных ИМС. Для решения этих проблем необходима разработка моделей отечественных полупроводниковых компонентов, тестирующих алгоритмов и программ для создания систем автоматизации проектирования и технологической подготовки производства (САПР и АСТПП), что служит основой производства современных ИМС.

Большой вклад в формирование и развитие САПР ИМС внесли отечественные учёные: И.П. Норенков, В.А. Трапезников, В.Н. Ланцов, A.B. Костров, И.Е. Жигалов и др. Вместе с тем, ряд вопросов связанных с оценкой эксплуатационных характеристик, отладкой производственных цепочек и прогнозированием скрытых дефектов ИМС не достаточно глубоко исследованы и являются предметом постоянного внимания схемотехников, конструкторов, технологов. Требуется интеграция уровней проектирования (логического, схемотехнического и топологического), создание АСТПП с расширением числа контролируемых параметров. Это особенно важно для ИМС, работающих в условиях специальных воздействий. Поэтому разработка маршрута проектирования ИМС (на примере микросхемы двухполярного преобразователя напряжения постоянного тока) предусматривает создание совокупности математических и имитационных моделей для исследования динамических характеристик ИМС при вариации параметров КМОП- транзисторов, включая топологию.

Снижение энергоёмкости, обеспечение надёжности и бездефектности функциональных узлов ИМС являются сложными задачами, а процесс их производства требует постоянного совершенствования. Из-за высокой функциональной сложности решение этих задач возможно только посредством использования САПР и АСТПП на основе мощной вычислительной базы. Таким образом, рациональное сочетание математического, имитационного и приборно-технологического моделирования позволит максимально достоверно оценить

технико- экономические характеристики и надёжность ИМС для решения производственной проблемы - сохранение высокого процента выхода годной продукции при уменьшении топологических размеров и повышении сложности изделий, а также сократить время на запуск в производство посредством предварительной оптимизации топологии и отладки технологических процессов.

Объектом исследования являются проектные и технологические процессы подготовки к серийному производству интегральных микросхем преобразователей напряжения постоянного тока.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы автоматизации проектирования интегральных микросхем преобразователей напряжения постоянного тока.

Цели и задачи. Основной целью настоящей работы является разработка моделей и алгоритмов автоматизированного проектирования микросхем двухполярных преобразователей напряжения постоянного тока, обеспечивающих повышение энергетических, технико- экономических показателей и надёжности.

В соответствие с поставленной целью в диссертационном исследовании были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведён анализ современных программных средств автоматизированного проектирования ИМС и сделан вывод о необходимости разработки САПР и АСТПП.

2. Созданы математические модели для функционального описания структур преобразователей напряжения постоянного тока (1111Н).

3. Разработаны имитационные модели для анализа динамических процессов в ППН при внешних воздействиях на схемотехническом уровне с учётом топологии и особенностей технологии.

4. Разработана подсистема моделирования характеристик функциональных блоков ИМС и алгоритм структурно — параметрического синтеза для повышения энергетических, технико-экономических показателей и надёжности.

5. Разработана АСТПП, включающая алгоритм автоматизированного проектирования топологии микросхем ППН в среде ТСАО с применением новой

технологии формирования КМОП транзисторов «карман в кармане» и методику проведения испытаний с оптимальным набором контролируемых параметров для выявления скрытых дефектов в процессе производства посредством приборно-технологического моделирования.

Научная новизна. На основании выполненных соискателем исследований: разработаны имитационные, приборно-технологические модели, алгоритмы автоматизированного схемотехнического, конструкторско-

технологического проектирования и программно-технические средства, позволяющие повысить технико-экономические показатели и надёжность микросхем;

предлоэ/сен новый метод автоматизированного проектирования топологии микросхем преобразователей в среде ТСАБ с применением новой технологии формирования КМОП транзисторов «карман в кармане»; новый метод конструкторско-технологического проектирования с применением программно-технических средства, позволяющий прогнозировать возможные скрытые дефекты на верхних уровнях проектирования микросхем;

доказана возможность применения разработанной САПР при проектировании преобразователей напряжения постоянного тока и других устройств функциональной микроэлектроники при серийном производстве;

введён учёт физических характеристик микросхем на более раннем, системном уровне в маршруте проектирования и тесты для диагностики скрытых дефектов на уровне топологического проектирования.

Теоретическая и практическая значимость работы обоснована тем, что: доказана перспективность развития и внедрения автоматизированного проектирования на основе схемотехнического, конструкторско-технологического проектирования и программно-технические средства интегральных микросхем с учётом статических и динамических режимов работы и расширенным числом контролируемых параметров;

применительно к проблематике диссертации результативно использованы современные достижения в области автоматизированного проектирования

электронных устройств, математическое программирование и компьютерные технологии, методология системного подхода с использованием теории нелинейных электрических цепей, теории автоматического регулирования, методов системного анализа и структурно-параметрической оптимизации, имитационное схемотехническое моделирование и приборно-технологическое с использованием современных программных продуктов;

изложен маршрут изготовления интегральных микросхем преобразователей напряжения постоянного тока; последовательность проектных процедур структурно-параметрического синтеза и анализа динамических характеристик микросхем; последовательность проведения граничных испытаний микросхем; раскрыты особенности решения проблемы снижения энергоёмкости, обеспечения надёжности и бездефектности функциональных узлов интегральных схем в процессе автоматизированного проектирования;

изучены подходы и методы создания имитационных моделей, тестирования посредством экспериментальных измерений, создания сценариев проведения анализа с учётом особенностей предложенного метода автоматизированного проектирования;

проведена модернизация БРГСЕ-моделей для производства отечественных полупроводниковых приборов, алгоритмов анализа в динамических режимах работы и тестов для контроля скрытых дефектов.

Методология и методы исследования. В работе использованы современные достижения в области САПР устройств микроэлектроники, математическое программирование и компьютерные технологии. Общей методологической основой является системный подход с использованием теории нелинейных электрических цепей, теории автоматического регулирования, методов системного анализа и структурно-параметрической оптимизации. Схемотехническое моделирование проведено с использованием программных продуктов ОгСАБ, МАТЬАВ, МШЛ181М 10, а приборно- технологическое -посредством пакета ТСАБ Бе^аигиз.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ организации технологического маршрута изготовления ИМС преобразователя напряжения постоянного тока, позволяющего совершенствовать параметры и характеристики получаемых интегральных микросхем.

2. Математические и имитационные модели ИМС 111 1Н для анализа физических процессов в переходных, динамических режимах и параметризации преобразователей.

3. Алгоритм автоматизированного технологического проектирования ИМС в среде TCAD Sentaurus, включающий новую технологию «карман в кармане» формирования КМОП транзисторов.

4. Алгоритм проведения граничных испытаний преобразователей напряжения постоянного тока для выявления возможных дефектов на верхних уровнях проектирования и результаты их тестирования посредством САПР.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием математического аппарата при проведении исследований и совпадением результатов имитационного моделирования с данными натурных испытаний преобразователей напряжения постоянного тока. Результаты диссертации были использованы в хоздоговорных работах на «Новосибирском заводе полупроводниковых приборов с ОКБ» («Н31111 с ОКБ»): «Разработка базовой технологии создания унифицированных электронных модулей - защитных устройств РЭА от перенапряжений в сетях электропитания» (отчет по ОКР «Защита-ВК», № гос. per. У90540, 2009 г., «Разработка базовой технологии создания радиационно-стойкого, высоконадежного сверхстабильного, аттестуемого прецизионного стабилитрона» (отчет по ОКР «Союз»), № гос. per. У91737, 2011 г., «Разработка базовой технологии создания многофункциональных сетевых защитных устройств на основе модулей полупроводниковых ограничителей напряжения высокой импульсной мощности до 150 кВт и специализированных микросхем» (отчет по ОКР «Нож 2»), № гос. per. У92098, 2011 г., «Разработка базовой технологии создания серии модулей

полупроводниковых ограничителей напряжения для защиты от сетевых помех средств электропитания и преобразователей электроэнергии» (отчет по ОКР «Серия ПОН»), № гос. per У920097, 2011 г., «Разработка и освоение производства радиационно-стойкой микросхемы двухполярного DC-DC преобразователя» (отчет по ОКР «Питание 4»), № гос. per. У92378, 2012 г.

В диссертации приведены акты внедрения результатов работы:

Научно-производственное предприятие «Восток», г. Новосибирск по разработке и освоению производства ИМС регистрового ЗУ на КМДП-структурах;

«Научно - исследовательский институт полупроводниковых приборов», г. Томск по разработке основ конструкции и базовой технологии КМОП микросхемы интерфейса управления СВЧ модулями, а также интегрального драйвера светодиодов с управлением по среднему току;

«НЗПП с ОКБ», г. Новосибирск по разработке и освоению производства радиационно-стойкой микросхемы двухполярного DC-DC преобразователя, а также по разработке технологии изготовления конструкции квадратурного модулятора-преобразователя.

Результаты, полученные в работе на разных этапах её выполнения, докладывались и обсуждались на:

- Международной научно-технической конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта», Москва, 2013;

- Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 2012;

- Российской научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2008,