Введение к работе
Актуальность темы
Современный процесс автоматизированного проектирования предполагает использование как универсального, так и специализированного программ!.ого 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 о 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.
Вопроси 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. Модели 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 отсутст твие 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".
Цель и задачи исследования
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 микрос
хем и создание на их базе автоматизированной подсистемы статисти
ческого анализа и оптимизации функциональных параметров аналого
вых ГИС и микросборок; -. .
анализ влияния технологических факторов на надежность внутренних соединений при монтаже компонентов на подложки и соединений контактных нлощадок 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 статистического 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:
-
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.
-
Разработаны модели и алгоритмы оценки вероятностных характеристик функциональных параметров аналоговых ГИС. позволяющие в отличие от известных учитывать стохастическую взаимосвязь мевду 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.
-
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 стабильность внутренних монтажных соединений ГИС.
-
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 инфор-
мационных 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 зарегистрировано в государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, списка литературы из 122 наименований, одиннадцати приложений. Основная часть работы изложена на 143 с, содержит 25 рисунков и 7 таблиц.
