автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Оптимизация функциональных параметров аналоговых микросхем на этапе конструкторско-топологического проектирования

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

# Оч-'оЯ- $ """" Л/ На правах рукописи

/

МЕЩЕРЯКОВ Михаил Васильевич

ОПТИМИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ НА ЭТАПЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.12 - "Системы автоматизации

проектирования"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор В.М. Шишкин

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Э.Б. Дорофеев

Воронеж-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................... 5

1. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ ЗА СЧЕТ ОПТИМИЗАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭТАПЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ......................... 15

1.1. Обзор современных средств проектирования

микроэлектронных устройств .................. 15

1.2. Необходимость разработки математического и программного обеспечения подсистемы оптимизации функциональных параметров аналоговых ГИС ............... 24

1.3. Цель и задачи исследования...........30

2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И МОДЕЛИ В ЗАДАЧАХ ОПТИМИЗАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ .... 32

2.1. Автоматизация моделирования МОП-транзисторов ............................ 32

2.2. Моделирование многомерного стохастически взаимосвязанного случайного вектора ............. 50

2.3. Оценка характеристик законов распределения параметров микросхем........."...........54

2.4. Итерационный метод решения системы трансцендентных уравнений для анализа и оптимизации микросхем . . 63

2.5. Аналитический метод определения границ работоспособности..................... . 69

2.6. Основные выводы второй главы .......... 75

3. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА КАЧЕСТВО МИКРОСОЕДИНЕНИЙ КОМПОНЕНТОВ С КОНТАКТНЫЙ ПЛОЩАДКАМИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ................ 77

3.1. Соединение подложек ГИС с основаниями корпусов..........................78

3.2. Проволочный монтаж внутренних соединений

ГИС............................. 84

3.2.1. Исследование качества паяных соединений золотой проволоки с контактными площадками подложек . .........................85

3.2.2. Микросоединения золотых проводников с контактными площадками из сплавов олово-никель и олово-свинец ........................ 92

3.3. Оптимизация конструкторско-технологических решений с целью снижения интенсивности отказов ГИС ..... 99

3.4. Основные выводы третей главы .......... 103

4. АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ ....................104

4.1. Алгоритм расчета коэффициентов чувствительности дисперсии выходных параметров микросхем ........ 104

4.2. Постановка задачи оптимизации топологии аналоговых микросхем .................... 109

4. 3. Алгоритмы оптимального размещения пленочных элементов..........................111

4.4. Алгоритм минимизации дисперсии функциональных параметров интегральных схем .............. 116

4.5. Алгоритм размещения пленочных элементов

по критерию минимизации суммарной длинны межсоединений ... 117

4.6. Алгоритм размещения пленочных элементов при совместном использовании коммутанционного критерия и критерия минимизации дисперсии функциональных параметров . . 119

4.7. Основные выводы четвертой главы ..... ... 124

5. РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ПРОГРАММНОГО И ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ ............... 125

5.1. Организация программного и информационного обеспечения подсистемы '...................125

5.2. Использование разработанного программного обеспечения для проектирования оптимальной топологии ГИС и микросборок и анализ его эффективности по результатам внедрения .................... 135

5.3. Основные выводы пятой главы .......... 141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................142

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .......... 144

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................158

ВВЕДЕНИЕ

Современный процесс автоматизированного проектирования предполагает использование как универсального, так и специализированного программного обеспечения (ПО). Универсальное ПО-предназначено для решения важнейших задач схемотехнического и конструкторского проектирования по расчету, анализу и оптимизации функциональных параметров электронных схем в статическом и динамическом режимах. Применение универсальных программ, ориентированных на широкий класс электронных устройств для ряда задач, является не эффективным, так как в универсальных программах не учитываются особенности, связанные с функциональным назначением устройств. Для этих задач требуется разработка специализированных проблемно-ориентированных подсистем.

В большинстве известных работ расчет и оптимизация интегральных схем (ИС) проводится только для цифровых ИС, в то время как оптимизация параметров аналоговых гибридных интегральных схем (ГИС) и микросборок до сих пор не находит должного применения в литературе.

Вопросы прогнозирования и оптимизации параметров рассматриваются только в отдельных программно-методических комплексах и подсистемах, которые не входят в состав крупных интегрированных систем автоматизированного проектирования (САПР).

В наиболее известных САПР отсутствуют процедуры статистической оптимизации функциональных параметров микроэлектронных устройств (МЭУ) на этапе конструкторско-топологического проектирования. Кроме того, библиотеки математических моделей элементов включают в себя в основном только зарубежную элементную базу. Мо-

дели активных компонентов содержат большое число параметров, многие из которых не входят в паспортные данные. Статистический анализ в последних САПР основывается на методе статистических испытаний (Монте-Карло) и предположении, что параметры описываются гауссовским законом распределения, однако это не всегда верно.

Также, важным недостатком современных САПР является отсутствие элементов проектирования конструкций ГИС, связанных с подбором технологических параметров, материалов и оценки надежности по внезапному отказу. Также в современной литературе недостаточно освещены вопросы надежности соединений при монтаже навесных элементов на подложки ГИС.

В связи с этим особенно актуальной является задача повышения эффективности автоматизированного проектирования аналоговых ГИС, удовлетворяющих требуемый уровень надежности и качества, а также сокращение временных и финансовых затрат на разработку.

Таким образом, рассмотрение теоретических вопросов повышения параметрической надежности и надежности по внезапным отказам аналоговых ГИС, а также создание на основе результатов исследований в данной области методов и средств оптимизации функциональных параметров аналоговых ГИС и микросборок является актуальной задачей. Стоит особо отметить целесообразность интеграции разработанного ПО с одной из наиболее перспективных САПР МЭУ, в целях привлечения известных ранее моделей, методов и средств автоматизированного проектирования.

Работа выполнена в соответствии с межвузовской комплексной программой 2.11 "Перспективные информационные технологии в высшей школе", г/б НИР 5/97 "Разработка среды поисковой и непрерывной дискретной оптимизации для создания специализированного алгоритмического обеспечения САПР" в рамках одного из основных направлений Воронежского государственного технического университета "Разработка САПР, роботов и ГАП".

Целью работы является разработка моделей, алгоритмов и программных средств оптимизации функциональных параметров аналоговых микросхем и прогнозирования надежности на . этапах схемотехнического и конструкторско-топологического проектирования.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

анализ процесса автоматизированного проектирования аналоговых ГИС и микросборок и постановка задачи оптимизации функциональных параметров на этапе конструкорско-топологического проектирования, позволяющего учитывать статистический разброс параметров пленочных элементов и ограничения, накладываемые технологией изготовления топологических слоев;

разработка и обоснование модели МОП-транзистора, учитывающей комплексное влияние дестабилизирующих факторов и позволяющей проводить моделирование на основе минимума исходных данных;

обоснование необходимости разработки автоматизированной проблемно-ориентированной процедуры проектирования оптимальной топологии ГИС и микросборок;

разработка моделей и алгоритмов, позволяющих проводить статистическую оценку распределений параметров аналоговых микросхем и создание на их базе автоматизированной подсистемы статистического анализа и оптимизации функциональных параметров аналоговых ГИС и микросборок;

анализ влияния технологических факторов на надежность внутренних соединений при монтаже компонентов на подложки и соединений контактных площадок подложки с выходными контактами ГИС и микросборок, а также создание процедур, позволяющих формулировать соответствующие рекомендации по применяемым материалам и технологиям;

разработка процедур расчета числовых характеристик статисти-

ческого разброса функциональных параметров микросхем и коэффициентов чувствительности дисперсий выходных параметров к разбросу параметров пленочных элементов;

реализация предложенных методов и алгоритмов в процессе создания автоматизированной проблемно-ориентированной подсистемы оптимизации функциональных параметров аналоговых микросхем.

Методы исследования основываются на теории системного анализа, методах математической статистики и вычислительной математики, математического моделирования и оптимизации, структурного программирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель МОП-транзистора, отличающаяся минимальным набором исходных данных и учетом паразитного сопротивления выводов, позволяющая производить расчет высокочастотных параметров МОП-транзисторов и сократить объем вычислений за счет использования линейной аппроксимации зависимости заряда обедненного слоя подложки от потенциала канала.

2. Разработаны модели и алгоритмы оценки вероятностных характеристик функциональных параметров аналоговых ГИС, позволяющие в отличие от известных учитывать стохастическую взаимосвязь между параметрами элементов и отличие их законов распределения от закона Гаусса, а также определять границы работоспособности по известному проценту выхода годных и статистическим характеристикам функциональных параметров.

3. Предложен алгоритм прогнозирования надежности аналоговых ГИС, отличающийся комплексным учетом показателей параметрической надежности и надежности по внезапным отказам, а также конструктивно-технологических факторов, влияющих на прочность и стабиль-

ность внутренних монтажных соединений ГИС.

4. Разработан алгоритм оптимизации функциональных параметров аналоговых ГИС на этапе топологического проектирования, отличающийся использованием при решении задачи размещения пленочных элементов дополнительного критерия, построенного на основе коэффициентов чувствительности дисперсии функциональных параметров к изменению расстояния между этими элементами на подложке.

Практическая ценность работы заключается в следующем: на основе предложенных моделей и алгоритмов анализа и оптимизации функциональных параметров разработано математическое, информационное и программное обеспечение проблемно-ориентированной подсистемы оптимизации функциональных параметров ГИС на этапе конструкторско-топологического проектирования, использование которого позволяет сократить временные затраты на проектирование при повышении точности получаемых результатов;

использование предложенного алгоритма многокритериальной оптимизации размещения пленочных элементов позволяет повысить надежность проектируемых ГИС за счет оптимизации функциональных параметров, и, как следствие, увеличить процент выхода годных;

разработанная в рамках САПР Design Center проблемно-ориентированная подсистема позволяет реализовать интерактивный режим работы с проектировщиком, что значительно повышает уровень контролируемости работы автоматизированных процедур и предоставляет возможность визуализации как конечных, так и промежуточных результатов проектирования.

Результаты исследований использовались в НИР ГБ 96.04 "Моделирование и оптимизация в информационных системах" и ГБ 96.17 "Исследование и разработка устройств и технологий РЭС", выполненных на кафедрах КиПРА и САПРИС ВГТУ. Разработанная подсистема оптимизации топологии аналоговых ИС внедрена на ОКБ "Процессор" с

ожидаемым годовым экономическим эффектом 47000 р. в ценах 1998 г. Использование результатов работы в НИР и на производстве подтверждается соответствующими актами внедрения. Программа прогнозирования надежности аналоговых ИС используется в учебном процессе на кафедрах "Системы автоматизированного проектирования и информационные системы" и "Конструирование и производство радиоаппаратуры" ВГТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем"(Пенза, 1996-1998); Всероссийском совещании-семинаре "Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине"(Воронеж, 1996, 1997); Московской студенческой научно-исследовательской конференции "Радиоэлектроника и электроника в народном хозяйстве" (Москва, 1997); III Международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1998); Всероссийском совещании-семинаре "Высокие технологии в региональной информатике" (Воронеж, 1998).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ. Разработанное программное средство прогнозирования начальной схемной надежности аналоговых микросхем зарегестри-ровано в государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ работы проведен анализ современных САПР МЭУ, рассмотрены особенности и принцип функционирования в них

и

отдельных проблемно-ориентированных подсистем, выполняющих в комплексе сквозное проектирование МЭУ.

Проанализирован состав современных САПР МЭУ и отмечены их существенные недостатки, как то - отсутствие полноценных средств статистического анализа и оптимизации функциональных параметров ГИС; недостаточная проработка процедур, отвечающих за проектирование аналоговых ГИС и микросборок; дефицит математических моделей отечественных элементов и компонентов. Кроме того указано на отсутствие четко выраженных процедур прогнозирования параметрической надежности и надежности по внезапному отказу.

Определена необходимость разработки методов и алгоритмов оптимизации функциональных параметров и прогнозирования работоспособности проектируемых аналоговых ГИС и создания на их базе проблемно-ориентированной подсистемы. Сделано обоснование выбора в качестве базовой системы для адаптации вышеуказанной подсистемы промышленной САПР Design Center версии 6.2, детально описаны основные модули, возможности по модернизации.

На основании проведенного анализа средств проектирования и оптимизации сформулированы основные задачи, решаемые в рамках данных исследований и поставлена цель работы - разработка и реализация средств оптимизации функциональных параметров аналоговых ГИС на этапе конструкторско-топологического проектирования.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ предложена математическая модель МОП-транзистора, характеризующаяся линейной аппроксимацией зависимости заряда обедненного слоя подложки от напряжения канала, позволяющая на основе минимального набора паспортных данных осуществлять моделирование МОП-транзисторов, входящих в состав современных ГИС и микросборок. Представлены основные зависимости параметров моде-

ли, учитывающие частотные свойства и температурные воздействия.

В развитие метода статистических испытаний предложен способ моделирования многомерного стохастически взаимосвязанного случайного вектора, использующий метод линейного преобразования. Реализована автоматизированная процедура, позволяющая осуществлять преобразование исходных законов распределения параметров микросхем в закон Гаусса, моделирование случайного вектора с параметрами (0,1) и обратные преобразования.

Предложен способ оценки плотности распределения параметров ГИС, в основе которого лежит метод максимального правдоподобия. Способ проиллюстрирован на примере распределения Вейбулла.

Описан численный метод оценки характеристик распределений параметров ГИС путем решения систем трансцендентных уравнений.

Разработано математическое обеспечение процедуры прогнозирования начальной схемно�