Введение к работе
Актуальность исследования. Интегральные схемы (ИС), изготовленные по гибридной технологии, применяются во многих областях электронной техники, где предъявляются высокие требования к рабочим характеристикам электронных устройств: аэрокосмическая техника, военная аппаратура, схемы СВЧ, автомобилестроение, телекоммуникации и т.д.
Качество гибридных ИС зависит от точности параметров пассивных компонентов, особенно пленочных резистивных элементов (РЭ). Разброс в значениях параметров и нестабильность технологического процесса (ТП) не позволяют воспроизводить РЭ с высокой точностью сопротивления, из-за чего уменьшается выход годных плат гибридных ИС. Лазерная подгонка, повышающая точность сопротивления РЭ, является одним из методов увеличения выхода годных плат гибридных ИС и регулирования ТП их изготовления. С помощью лазерного луча при подгонке происходит изменение конфигурации РЭ, сопровождаемое изменением и его сопротивления. Совокупность получаемых значений сопротивления при подгонке составляет подгоночную характеристику (ПХ) РЭ. Достижение нормативной точности сопротивления при подгонке зависит как от конфигурации пленочного РЭ, так и от формы применяемых лазерных резов. Обоснование формы лазерных резов и координат начала обработки для конкретной формы РЭ составляет сущность проектирования подгонки и применения ее как средства настройки механизма регулирования ТП изготовления плат гибридных ИС. В настоящее время выбор проекта подгонки осуществляется на основе опыта и имеющихся практических прецедентов. Однако, использование только экспериментальных данных, из-за ограниченности их объема, не позволяет квалифицировать выбираемый вариант проекта подгонки как оптимальный. Отсутствие достоверной информации и методик выявления оптимальных проектов, а также субъективность и несовершенство отбора вариантов являются основными проблемами при проектировании подгонки, от которых зависят точность сопротивления РЭ и затраты ресурсов предприятий микроэлектроники и приборостроения на ее обеспечение в условиях роста требований к параметрам гибридных ИС. Решение названных проблем требует модельных исследований, охватывающих одновременно технологии изготовления гибридных ИС и методы принятия решений.
Исходные теоретико-методологические посылки, используемые в ходе выполнения диссертации, основываются на трудах как зарубежных, так и отечественных исследователей:
1) по технологии изготовления ИС и моделированию технологических операций микроэлектроники: Д. Антониадиса, Р. Даттона, Д. Колларда, Tапан K. Гурта, К. Танигучи, К. Салсбурга, Л. Мейссола, В.Д. Гимпельсона,
В.В. Нелаева, М.В. Казитова, А.Ф. Буренкова, Ю.А. Родионова, Л.М. Анищенко, С.Ю. Лавренюка, В.В Петрухина;
2) по лазерной подгонке пленочных резисторов: К. Банаса, Р. Уэебба,
М.Г. Коэна, З.Ю Готра, И.Я. Хромяка, Л.Н. Войтекова;
3) по нечетким вычислениям: Л.А. Заде, Е. Мамдани, В.П. Бочарникова;
4) по адаптивному и оптимальному управлению: Я.З. Цыпкина,
А.А. Жданова, С.А. Терехова, Р. Беллмана, А. Брайсона, Хо Ю Ши;
5) по математическому и имитационному моделированию: Т. Саати,
Н. П. Бусленко, В.И. Скурихина.
Так как, моделирование лазерной подгонки пленочных РЭ применяется как средство настройки механизма регулирования ТП изготовления плат гибридных ИС, то решаемая научная проблема, позволяющая увеличить выход годных плат, является актуальной и отвечает перспективам развития микроэлектронных технологий в России.
Объектом исследования диссертационной работы является физический процесс воздействия лазерного излучения на пленочные РЭ, применяемого для подгонки сопротивления в целях увеличения выхода годных гибридных ИС.
Предметом исследования является система моделей, методов и алгоритмов проектирования подгонки, полученная на основе концептуальной, функциональной и структурной декомпозиции ТП, физического процесса лазерной подгонки и объектов топологии подложки с платами гибридных ИС.
Цель и задачи исследования - разработка методологии и системы
математического моделирования и проектирования лазерной подгонки РЭ для настройки механизма регулирования ТП изготовления гибридных ИС.
Для достижения данной цели решаются следующие задачи:
1) системный анализ моделей, этапов и критериев управления эффективностью ТП изготовления плат гибридных ИС;
2) исследование математических методов и средств оптимизации ТП изготовления плат гибридных ИС;
3) спецификация задач подгонки пленочных РЭ существующих лазерных установок, решаемых при реализации механизма регулирования ТП изготовления плат гибридных ИС;
4) разработка математических моделей данных, применяемых при оценке текущего состояния объектов топологии в условиях реального времени подгонки и регулирования ТП изготовления плат гибридных ИС;
5) систематизация расчетных методов получения подгоночных
характеристик РЭ для отображения результатов подгонки при ее имитации;
6) разработка алгоритма моделирования лазерной подгонки на основе анализа системного и индуктивного подходов и структуры топологии
гибридных ИС;
7) идентификация пленочных РЭ по данным моделирования и натурного эксперимента лазерной подгонки;
8) разработка баз данных для формирования и представления знаний о топологии гибридных ИС для моделирования и проектирования подгонки при настройке механизма регулирования ТП;
9) создание методики настройки механизма регулирования ТП изготовления плат гибридных ИС проектированием подгонки РЭ;
10) разработка комплекса программ автоматизированной системы моделирования и проектирования подгонки для настройки механизма регулирования ТП изготовления плат гибридных ИС;
11) разработка специализированного языка для редактирования сценариев моделирования и представления результатов.
Методы исследования. Теоретическая часть работы выполнена на основе методов процессного управления, уравнений электромагнитного поля Максвелла, теории нечетких множеств, гибридной технологии микроэлектроники.
В экспериментальной части работы применяются численные и аналитические модели, теория электрических цепей, методы теории аппроксимации и интерполяции, методология искусственного интеллекта и экспертных систем.
Для выполнения экспериментальной части создан программный комплекс автоматизированного моделирования и проектирования подгонки АCМ «ПОДГОНКА ГИС».
На защиту выносятся:
1) методология математического моделирования лазерной подгонки, как операции ТП изготовления плат гибридных ИС, объединяющая четкие модели изменения конфигурации пленочных РЭ и нечеткую модель для оценки их состояния;
2) система методов расчета подгоночных характеристик РЭ для имитации подгонки при моделировании, определенная на основе интегральных и дифференциальных уравнений Максвелла;
3) алгоритм нечеткого моделирования лазерной подгонки на основе метода анализа иерархий и индуктивно-дедуктивных логических выводов оценивания состояния объектов топологии и принимаемых решений;
4) комплекс программ, позволяющий в цикле моделировать и проектировать лазерную подгонку, прогнозировать ее результаты и выбирать оптимальный вариант проекта;
5) язык моделирования, с помощью которого редактируются сценарии моделирования и отображаются результаты.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем.
1) Впервые проведено комплексное исследование воздействия лазерного излучения на пленочные РЭ, выявлены основные проблемы подгонки и показаны пути их решения. В таком аспекте исследование лазерной подгонки ранее не выполнялось.
2) Разработана модель лазерной подгонки на основе объединения четких механических моделей изменения конфигурации РЭ и нечеткой модели оценки состояния.
3) Систематизированы существующие и разработаны новые методы
расчета сопротивления РЭ при моделировании подгонки.
4) Разработан алгоритм оценки состояния объектов топологии на основе метода анализа иерархий.
5) Разработан комплекс программ автоматизированного моделирования и проектирования лазерной подгонки, позволяющий выбирать оптимальный вариант проекта при настройке механизма регулирования ТП.
6) Разработан язык моделирования, с помощью которого редактируются сценарии моделирования и отображаются результаты.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обеспечены применением известных положений фундаментальных наук, строгими математическими выводами, адекватностью разработанных моделей реальным физическим и технологическим процессам. Полученные результаты базируются на отработанных технологических процессах микроэлектроники и подтверждаются успешной апробацией на научно-технических конференциях и публикацией основных положений в ведущих научно-технических журналах. Ряд решений внедрен в производство.
Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:
1) разработан подход по настройке механизма регулирования ТП изготовления плат гибридных ИС с помощью автоматизированной системы моделирования и проектирования лазерной подгонки РЭ, повышающий выход годных плат;
2) данный подход проектирования конечного результата показал свою эффективность как при подгонке и нормализации резисторов на стандартных гибридных ИС, так и при подгонке матриц одинаковых сверхпрецизионных тонкопленочных чип-резисторов специального назначения с очень сложной геометрической структурой. Полученные статистические результаты (на одной подложке может быть до 4000 одинаковых чип-резисторов) показали заметное уменьшение смещения от номинала и значительное сужение разброса значений во всем диапазоне номиналов;
3) для автоматизированного моделирования и проектирования подгонки определены физические процессы, проанализированы применяемые конфигурации РЭ и лазерные резы, систематизированы методы расчета сопротивления;
4) разработанная система автоматизированного моделирования и проектирования подгонки существенно сокращает объем физических экспериментов и проб, уменьшает технологические допуски изготовления и, в конечном счете, повышает качество и выход годных гибридных ИС при экономии ресурсов предприятий микроэлектроники и приборостроения в условиях непрерывного роста требований к значениям выходных параметров.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде конструкторских и технологических документов внедрены на предприятиях: Пензенский НИИ «КОНТРОЛЬПРИБОР», Ульяновский центр микроэлектроники и автоматизации в машиностроении, Раменский опытный завод «ТЕХНОПРИБОР».
Положительные результаты использования системы автоматизированного моделирования и проектирования подтверждены актом внедрения на Научно-производственном предприятии «ЭЛЕКТРОННОЕ СПЕЦИАЛЬНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ» г. Москва, г. Зеленоград.
Научно-исследовательские работы. При выполнении диссертационной работы использовались:
1) результаты НИИОКР «ПОДГОНКА ГИС» по разработке
автоматизированной установки лазерной подгонки резисторов, выполненной в Ульяновском центре микроэлектроники и автоматизации в машиностроении
г. Ульяновск и НИИ «КОНТРОЛЬПРИБОР» г. Пенза;
2) федеральная целевая программа «Национальная технологическая база» (распоряжение Правительства Российской Федерации от 26 апреля 2001г.
№ 591-р). Направление «Электронная компонентная база»;
3) тематический план госбюджетных НИР Ульяновского государственного технического университета, утвержденный Ученым советом (протокол №6 от 26.06.2006г.).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях (НТК):
1) международных выставках «Интеропторг – 91» и «Электротехнология – 91» в выставочном комплексе на Красной Пресне (Москва, Экспоцентр, 1991 г.);
2) НТК «Микроэлектроника в машиностроении» (Ульяновск, НПК УЦМ, 1992г);
3) I Всероссийской НТК «Компьютерные технологии в науке,
проектировании и производстве» (Нижний Новгород, НГТУ, 1999 г.);
4) ХХХIII НТК УлГТУ (г. Ульяновск, 19-31 января 1999 г.);
5) международной НТК «Новые методологии проектирования изделий микроэлектроники», «NEW DESIGN METODOLOGIES». (г. Владимир, 2002 г.);
6) XVI НТК «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», «Датчик – 2004» (Москва, МИЭМ, 2004 г.);
7) международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейро-информатика в науке и технике» (Ульяновск, УлГТУ, 2004 г.);
8) международных НТК «Авиакосмические технологии и оборудование», (Казань, КГТУ, 2004, 2006 гг.);
9) международном симпозиуме «Advances in Abrasive Technology VIII». ISAAT2005. (Cанкт-Петербург, СПбГТУ, 2005);
10) международных конференциях «Interactive Systems And Tecnologies: The Problems of Human - Computer Interaction». (Ульяновск, 2003, 2005 гг.);
11) V Международной НТК «Электроника и информатика - 2005» (Зеленоград, Московская обл., МИЭТ, 2005 г.);
12) международной конференции «International Conference on Electronics Packaging». ICEP 2006 (Токио, MIT, 2006 г.); и др.
Публикации. По результатам научных исследований опубликованы 36 научных работ, в том числе, 1 монография, 35 статей в центральных и зарубежных периодических изданиях и сборниках научных трудов.
Из них 7 статей опубликованы в научно-технических журналах РФ, рекомендованными ВАК Минобразования: «Радиотехника и электроника», «Известия вузов. Электроника», «Известия вузов. Поволжский регион», «Метрология», «Приборы и системы управления», «Известия Самарского научного центра РАН».
Две статьи опубликованы в зарубежных журналах «Journal of Communications Technology and Electronics», «Key Engineering Materials».
Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены лично автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 174 наименований. Общий объем работы без учета приложений составляет 228 страниц машинописного текста, 67 рисунков и 32 таблицы.
