автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Моделирование и алгоритмизация тепловых характеристик микроэлектронных устройств на этапе схемотехнического проектирования

Введение

1.Пути повышения эффективности автоматизированного теплового проектирования МЭУ

1.1 .Повышение эффективности систем схемотехнического проектирования на основе применения средств моделирования и оптимизации тепловых характеристик МЭУ

1.2.Анализ средств теплового проектирования с точки зрения использования на этапе схемотехнического проектирования

1.3 .Цель и задачи исследования

2. Разработка математического обеспечения моделирования температурных полей в активных компонентах МЭУ на этапе схемотехнического проектирования

2.1. Разработка электротепловых математических моделей активных компонентов

2.2. Разработка схемных тепловых моделей компонентов

В настоящее время основным направлением развития современных микроэлектронных устройств (МЭУ) является их миниатюризация с целью снижения массы и габаритов, потребляемой энергии, повышения надежности. Применение элементной базы с высокой степенью интеграции (БИС, СБИС), мощных транзисторов, увеличение уровня сложности, повышение быстродействия МЭУ вызвали значительные изменения их конструкции, связанные с ростом плотности компоновки, переводом многих устройств в интегральное исполнение (в том числе мощных). Все это приводит к усложнению задачи обеспечения тепловых режимов МЭУ.

Анализируя с этой точки зрения содержание различных этапов проектирования МЭУ, можно сделать вывод, что вопросы моделирования и оптимизации теплового режима необходимо решать на более ранних, чем принято традиционно, этапах проектирования, в частности, на схемотехническом.

К задачам данного этапа относятся анализ и оптимизация схем МЭУ, определение и компенсация влияния дестабилизирующих факторов, важнейшим из которых является повышенная температура, на работоспособность разрабатываемой аппаратуры с учетом реальных функциональных и конструктивных параметров элементной базы. Для эффективного решения вопросов теплового проектирования на этом этапе необходимо точно знать распределение температурного поля по каждому активному компоненту, а также обязательно учитывать их электрические режимы работы в связи с тепловыми процессами.

Такой подход требует построения комплексных моделей схемных компонентов, учитывающих взаимное влияние электрических и тепловых параметров и характеристик. Это позволяет использовать при анализе тепловых режимов в качестве исходных данных электрические параметры, учитывать специфику работы и протекающих процессов в транзисторах различных типов и осуществить интеграцию (процедур теплового и функционального проектирования.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью повышения эффективности средств схемотехнического проектирования МЭУ на основе создания комплексных электротепловых моделей компонентов, совместимых со схемным представлением, и соответствующих алгоритмов, позволяющих решать задачи анализа и обеспечения тепловых режимов на этапах разработки схем.

Цель и задачи исследования

Цель данной работы - разработка моделей, алгоритмов и программных средств моделирования и обеспечения тепловых характеристик МЭУ на этапе схемотехнического проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: анализ этапа схемотехнического проектирования МЭУ и определение совокупности задач анализа и обеспечения тепловых характеристик; сформировать модели источников тепловых потоков в активных компонентах (АК) и типовых схемных каскадах, позволяющие более точно учитывать параметры тепловыделения и их зависимости от электрических режимов, вида и частотного диапазона рабочих сигналов и особенностей элементной базы; разработать электротепловые модели АК, допускающих представление в виде эквивалентных схем, входной информацией которых являются характеристики электрического режима, предназначенных для интеграции со средствами схемного анализа и обеспечивающих повышение точности определения термозависимых параметров моделей схемных компонентов; смоделировать нестационарные температурные поля в АК и устройствах для различных рабочих режимов при проведении схемотехнического проектирования; произвести оценку термоустойчивости АК и взаимных тепловых воздействий в разрабатываемых МЭУ на этапах функционального проектирования; разработать программное обеспечение для построения автоматизированных средств анализа и обеспечения оптимальных тепловых режимов на этапе схемотехнического проектирования.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с НИР № ГБ96.17 "Исследование и разработка устройств и технологий РЭС" и в рамках одного из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета "САПР и системы автоматизации производства".

Методы исследования

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

Научная новизна

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: комплексные математические модели активных компонентов (биполярных и полевых транзисторов), имеющие электротепловой характер, отличающиеся адаптацией к конкретным режимам работы и использованием электрических параметров в качестве исходных данных; схемные тепловые модели транзисторов, основанные на методах электротепловой аналогии, отличающиеся учетом нелинейности тепловых сопротивлений и зависимости удельного тепловыделения от амплитудных, частотных и временных параметров рабочих сигналов; математические модели источников тепловых потоков в составе тепловых схем, отличающиеся совместным учетом статических и динамических электрических режимов в типовых каскадах и логических элементах и отражающие электротермические процессы в конкретных устройствах; процедуры и алгоритмы теплового проектирования, отличающиеся возможностью интеграции с комплексами автоматизированной разработки схем МЭУ и проведения совместного анализа электрических и тепловых характеристик и обеспечения тепловых режимов.

Практическая ценность

На основе предложенных моделей и алгоритмов разработано математическое и программное обеспечение автоматизированного комплекса анализа и обеспечения тепловых режимов МЭУ на этапе схемотехнического проектирования, функционирующего в рамках системы ОгСАО, использование которого позволило сократить временные затраты на разработку при повышении точности получаемых результатов.

Разработанный программно-методический комплекс использовался при выполнении ряда ОКР и внедрен ОКБ "Процессор" с годовым экономическим эффектом 43 тыс. рублей, ЗАО "Иркос" (г. Москва) с годовым экономическим эффектом 56 тыс. рублей, а также в учебный процесс на кафедрах Системы автоматизированного проектирования и информационные системы и Конструирования и производства радиоаппаратуры Воронежского государственного технического университета.

Апробация работы

Основные результаты обсуждались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах: Междунар. научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1998); Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 1998); Междунар. научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, 2000, 2001); Всероссийской конференции "Интеллектуальные информационные системы" (Воронеж, 2000); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (1998-2000); Междунар. научно-технической конференции "Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий" (Москва-Воронеж-Сочи 2001).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 135 страницах текста, 10 приложений, содержит 21 рисунок. Список литературы включает 91 наименование.

4.3. Основные выводы

1. Разработана структура программно-методического комплекса, учитывающая основные задачи схемотехнического проектирования, а также вопросы взаимосвязи проектных процедур и систем отображения данных.

2. Реализовано программное и информационное обеспечение программно-методического комплекса формирования и моделирования источников тепла активных компонентов, позволяющее проводить моделирование температурных полей активных компонентов в зависимости от режима работы.

3. Рассмотрено практическое применение программных средств для повышения надежности разрабатываемых МЭУ на предприятиях электронного профиля и в учебном процессе Воронежского государственного технического университета.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены электротепловые модели биполярных и полевых транзисторов учитывающие влияние на тепловой режим режимов работы (статический, динамический), вида и характеристик сигналов, использующие в качестве исходных данных электрические режимы.

2. Разработаны модели активных компонентов в виде эквивалентных электротепловых схем, содержащие источники тепла и нелинейные тепловые сопротивления, зависящие от электрических режимов активных компонентов и применимые для устройств, работающих как в линейном, так и в ключевом (импульсном) режимах.

3. Предложены модели в виде электротепловых схем для типовых схем логических элементов.

4. Разработана структура программно-методического комплекса теплового проектирования на этапе разработки схем МЭУ.

5. Определен набор и последовательность процедур анализа и обеспечения тепловых характеристик МЭУ на этапе схемотехнического проектирования.

6. Разработана структура программно-методического комплекса, учитывающая основные задачи схемотехнического проектирования, а также вопросы взаимосвязи проектных процедур и систем отображения данных.

7. Реализовано программное и информационное обеспечение программно-методического комплекса формирования и моделирования источников тепла активных компонентов, позволяющее проводить моделирование температурных полей активных компонентов в зависимости от режима работы.

8. Рассмотрено практическое применение программных средств для повышения надежности разрабатываемых МЭУ на предприятиях электрон

99 ного профиля и в учебном процессе Воронежского государственного технического университета.

1. Дейв Берски. Рост сложности ИС превращает схемы в однокристальные системы // Электроника. 1993. №11-12. С. 72-73.

2. М. Махалингер. Отвод тепла от корпусированных полупроводниковых устройств // ТИИЭР. 1985. Т.73, №9. С.58-67.

3. Милтон JI. Бушбом. Перспективные методы проектирования устройств на специализированных ИС // Электроника. 1990. №3. С.57-66.

4. И.И. Абрамов, В.В. Харитонов. Численный анализ функционально-интегрированных элементов СБИС с учетом тепловых эффектов. 1.Модель // Инженерно-физический журнал. 1988. Т.54, №2. С.309-314.

5. У.С. Холтон. Перспективы развития КМОП-технологии // ТИИЭР. 1986. Т.74, №12. С.56-82.

6. Т.Х. Нин. Тенденции развития биполярной технологии // ТИИЭР. 1986. Т.74, №12. С.83-92.

7. Системы автоматизированного проектирования в радиоэлектронике: Справочник / Е.В. Авдеев, А.Т. Еремин, И.П. Норенков, М.И. Песков; Под ред. И.П. Норенкова. М.:Радио и связь, 1986. 368 е.: ил.

8. Разевиг В.Д. Система сквозного проектирования электронных устройств DesignLab 8.0. М.: «СОЛОН», 1999. 704 с.

9. Разевиг В.Д. Система проектирования цифровых устройств OrCAD. М.: «СОЛОН-Р», 2000. 160 с.

10. Ю.Разевиг В.Д. Система схемотехнического моделирования Micro-CAP V. М.: «СОЛОН», 1997. 273 с.11 .Автоматизация схемотехнического проектирования / В.Н. Ильин, В.Т. Фролкин, А.И. Бутко и др.; Под ред. В.Н. Ильина. М.: Радио и связь, 1987.368 с.

11. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. 560 с.

12. Баталов Б.В., Егоров Ю.Б., Русаков С.Г. Основы математического моделирования БИС на ЭВМ. 1982.

13. М.Чохмахсазян Е.А. и др. Математическое моделирование и макромоделирование биполярных элементов электронных схем. 1985.

14. B.C. Першенков, П.И. Первенцев. Схемотехническое проектирование микросхем на основе инвариантно-топологического подхода // Микроэлектроника. 1990. Т. 16, вып.6. с.549-554.

15. К.О. Петросянц и др. Электрические модели элементов интегральных схем для автоматизации проектирования / К.О. Петросянц, В.А. Шилин, A.A. Яншин. М.: Машиностроение, 1979. 92с.

16. Высокочастотные транзисторные преобразователи / Э.М. Ромаш, Ю.И. Драбич, H.H. Юрченко, П.Н. Шевченко. М.: Радио и связь, 1988. 288 с.

17. Жданкин В. Надежность преобразователей напряжения и ее количественная оценка // Современные технологии автоматизации. 1997. №4. С.116-119.

18. Кармазинский А.Н. Синтез принципиальных схем цифровых элементов на МДП-транзисторах. М.: 1983.

19. Мощные высокочастотные транзисторы / Ю.В. Завражнов, И.И. Ка-ганова, Е.З. Мазель и др.; Под ред. Е.З. Мазеля. М.:Радио и связь, 1985. 176с.

20. Коболд Р. Теория и применение полевых транзисторов. 1975.

21. Николаевский И.Ф., Игумнов Д.В. Параметры и предельные режимы работы транзисторов. М.: Сов. радио, 1971, 382 с.

22. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Н.М. Тугов, Б.А. Глебов, H.A. Чарыков; Под ред. В.А. Лабунцова. М.: Энергоатомиздат, 1990. 576с.

23. Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. 1987.

24. Теория о выделении тепла в полупроводниковых приборах // ТИИЭР. №4, 1978, с. 194.

25. Макаров О.Ю., Муратов A.B., Андреков И.К. Задачи оптимизации тепловых характеристик МЭУ на этапе схемотехнического проектирования // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1998. С. 62-66.

26. Ващенко В.А., Синкевич В.Ф. Особенности лавинно-тепловой неустойчивости тока в кремниевых р-п-структурах при наличии локальной неоднородности. // ЭТ. Сер.2. Полупроводниковые приборы. Вып.З. 1990. С. 8486.

27. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И. Никишин, Б.К Петров, В.Ф. Сыноров и др. М.: Радио и связь, 1989. 144 с.

28. Моделирование полупроводниковых приборов // ТИИЭР. Т.71, №1, 1983, с.14.

29. Конструкции корпусов и тепловые свойства полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1972, 120 с.

30. A.JI. Захаров, Е.И. Асвадурова. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. М.: Радио и связь, 1983. 184с.

31. Мертуза М. Тепловой анализ собранных в корпус СБИС, основанный на компьютерных моделях // Электроника. №3, 1982, С. 55-60.

32. Макаров О.Ю. "Сквозное тепловое проектирование в интегрированных САПР микроэлектронных устройств". Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1999. 161 с.

33. Автоматизация теплового проектирования микроэлектронных устройств средствами САПР. / Коваль В.А., Федасюк Д.В., Маслов В.В., Тарновский В.Ф.; Под ред. В.А. Коваля. Львов: Выща шк. Изд-во при Львов, унте, 1988. 256 с.

34. Кибакин В.Н. Основы теории и расчета транзисторных низкочастотных усилителей мощности. М: Радио и связь, 1988. 240с.

35. Макаров О.Ю. Средства теплового проектирования в интегрированных САПР МЭУ // Высокие технологии в технике, медицине и образовании: Межвуз. сб. науч. тр. Ч. 1. Воронеж: ВГТУ, 1998. С. 119-123.

36. Муратов A.B., Макаров О.Ю. Автоматизированное теплофизическое проектирование микроэлектронных устройств: Учеб. пособ. Воронеж: ВГТУ, 1997. 92 с.

37. Дульнев Г.Н., Парфенов В.Г., Сигалов A.B. Методы расчета теплового режима приборов . М.: Радио и связь, 1990. 312 с.

38. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. Л.: Энергия, 1968. 360 с.

39. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М: Высш. шк., 1984. 247 с.

40. Теплотехника / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высш. шк., 1999. 671 с.

41. Полевые транзисторы / Под ред. Д.Т. Уолмарка и X. Джонсона.1971.

42. Ригман П. Физические основы полевых транзисторов с изолированным затвором. 1971.

43. Кобболд P.C. Теория и применение полевых транзисторов. 1975.

44. Кресин О.М., Легздайн A.M., Старое Ф.Г. Анализ температурных полей твердых схем на полевых триодах. // Электронная техника. Вып.7(33), Сер.6,1971, С. 12-20.

45. Гинзбург Э.З., Кресин О.М., Яковлева М.А. Теоретическое исследование тепловых моделей больших интегральных схем. // Электронная техника. Сер.8, Вып.6, 1973, С.79-83.

46. Мгебрян Р.Г., Носов Ю.Р. Расчет теплового режима полупроводниковых матриц. // Электронная техника. Сер.2, №4, 1972, С. 72-76.

47. Кресин О.М., Легздай A.M., Старое Ф.Г. Определение температуры твердых схем на полевых триодах, расположенных в корпусе. // Электронная техника. Вып.7(33), Сер.6, 1971, С. 21-25.

48. Фролов В.Н., Макаров О.Ю. Моделирование и оптимизация тепло-физических характеристик в процессе автоматизированного проектирования БИС // Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВПИ, 1992. С.112-117.

49. Гинзбург Э.З., Кресин О.М., Яковлева М.А. Теоретическое исследование тепловых моделей больших интегральных схем (БИС) // Электронная техника. Сер.8. 1973. Вып.6. С.79-83.

50. Андреков И.К., Макаров О.Ю., Муратов A.B. Моделирование тепловых процессов в цифровых устройствах // Интеллектуальные информационные системы: Сб. тр. всерос. конф., Воронеж, 22-24 мая 2000. Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 48-49.

51. Носов Ю.Р., Петросянц К.О., Шилин В.Л. Математические модели элементов интегральной электроники. М.: Сов. радио, 1976. 304 с.

52. Проектирование СБИС: Пер. с яп. / М.Ватанабэ, К.Асада, К.Кани, Т.Оцуки. М.: Мир, 1988. 304 с.

53. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств / О.В.Алексеев, А.А.Головков, И.Ю.Пивоваров и др.; Под ред. О.В.Алексеева. М.: Высш. шк., 2000. 479 с.

54. Транзисторы / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. М.: Радио и связь, 1990, 272 с.

55. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена: Учеб. пособие для теплофизич. и теплоэнергетич. вузов/ Г.Н.Дульнев, В.Г.Парфенов, А.В.Сигалов. М.: Высш. шк., 1990. 207с.

56. Кривоносов А.И. Температурная компенсация электронных схем. М.: Связь, 1977. 136 с.

57. Физические основы надежности / Под ред. Ю.Г. Миллера. М.: Сов. радио, 1976. 320 с.

58. Архангельский А.Я., Савинов Т.А. Электротепловые модели компонентов и модель теплового взаимодействия для расчета интегральных схем. // Изв. вузов MB и ССО СССР. Радиоэлектроника. Т.29, №12, 1986, С. 45-50.

59. Валиев К.А. и др. Цифровые интегральные схемы на МДП-транзисторах. 1971.

60. Агаханян Т.М. Интегральные схемы. 1983.

61. Макаров О.Ю., Андреков И.К., Дьячков Б.В. Моделирование тепловых процессов в интегральных схемах с инжекционным питанием // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Меж-вуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2000. С. 124-127.

62. Автоматизация проектирования и производства микросборок и электронных модулей. / Н.П. Меткин, М.С. Лапин, Б.Н. Деньдобренко, И.А. До-морацкий; Под ред. Н.П. Меткина. М.: Радио и связь. 1986, 280 с.

63. Макромоделирование аналоговых интегральных микросхем / А.Г. Алексеенко и др. 1983.

64. Малаев Е.И. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1990. 512с.

65. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высш. шк., 1991, 622 с.

66. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории САПР. М.: Высш. шк., 1990, 335 с.

67. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР: Учеб. для вузов. М.: высш. шк., 1990, 335 с.

68. Ахо А., Хонкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов: Пер. с англ. М.: Мир, 1979. 536 с.

69. Кофанов Ю.Н. Теоретические основы конструирования, технологии и надежности радиоэлектронных средств: Учебн. для вузов. М.: Радио и связь, 1991,360 с.

70. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем: Учеб. пособ. для спец. «Физика и технология материалов и компонентов электронной техники». М.: Высш. шк., 1989, 320 с.

71. Коледов JI.A. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. М.: радио и связь, 1989, 400 с.

72. Курейчик В.М. Математическое обеспечение конструкторского и технологического проектирования с применением САПР: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1990, 352 с.

73. Санин В.Н., Андреков И.К. Повышение эффективности проектирования МЭУ на основе применения средств теплового моделирования // Элементы и устройства микроэлектронной аппаратуры: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 1999. С. 137-141.

74. Хейгман Л., Янг Д. Прикладные итерационные методы. М.: Мир,1986.

75. Джоржд А., Лю Дж. Численное решение больших разреженных систем уравнений. М.: Мир, 1984.

76. Программное обеспечение для моделирования элементов БИС / К.О. Петросянц, А.И. Гуров, A.A. Мишин и др.//Радиоэлектроника. N 6. С. 16-31 (Изв. высш. учебн. заведений).

77. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов: Пер. с англ. М.: Мир, 1982, 428 с.

78. Драпкин О.М., Шмат В.К. Электротепловое взаимодействие между элементами интегральных схем. // Электронная техника. Вып.4(155), Сер.2, 1982, С. 65-63.

79. Андреков И.К., Муратов A.B. Применение средств моделирования тепловых характеристик МЭУ на этапе схемотехнического проектирования //108

80. Современные проблемы радиоэлектроники: Тез. докл. междунар. науч.-тех. конф., Красноярск, 6-8 мая 2000. Красноярск: КГТУ, 2000, с. 250

81. Макаров О.Ю. Сквозное тепловое проектирование микроэлектронных устройств: Учеб. пособие / Макаров О.Ю., Муратов A.B., Андреков И.К. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2001. 90 с.