книги / Основы построения САПР и АСТПП

Отличие в проектировании ИС от схем на дискретных компо­ нентах заключается в том, что для ИС необходима интеграция двух ранее не связанных процессов: разработки и изготовления компонентов и разработки и изготовления схем.

Методы проектирования компонентов и схем на дискретных компонентах развивались практически независимо, и их приме­ нение при разработке ИС оказалось малоэффективным. Разли­ чия в стоимости, надежности, габаритах дискретных компонентов наложили свой отпечаток на схемотехнику. В качестве примера можно указать на более широкое использование в схемах на дис­ кретных компонентах пассивных компонентов по сравнению с активными, что объясняется их лучшими технико-экономически­ ми показателями. При использовании ИС технико-экономические показатели компонентов становятся одинаковыми, а в ряде слу­ чаев увеличение количества активных компонентов в схеме по сравнению с пассивными становится более выгодным. Поэтому технология изготовления ИС открывает новые потенциальные возможности в схемотехнике. Специфика технологии изготовле­ ния ИС приводит к необходимости учитывать следующие основ­ ные факторы: в составе монолитной ИС трудно изготовить боль­ шие емкости и индуктивности; для сокращения площади, зани­ маемой схемой, необходимо свести к минимуму сумму всех со­ противлений и емкостей схемы; параметры компонентов и допуска на параметры внутри каждой схемы, возникающие за счет технологических разбросов, взаимосвязаны; в схемах с изо­ ляцией компонентов, осуществляемой при помощи р-я-переходов, возникают паразитные емкости на подложку, поэтому для улуч­ шения динамических характеристик схему необходимо так конст­ руировать, чтобы в узлах со значительными паразитными емко­ стями перепады напряжения были минимальны; в схемах с изоляцией р-я-переходами имеют место четырехслойные я-р-я-р- структуры, которые могут нарушить работу схемы при непра­ вильном их включении.

Появление ИС привело к самостоятельным направлениям: схемотехнике на дискретных компонентах и интегральной схе­ мотехнике.

Рассмотрим основные этапы проектирования ИС. Цикл раз­ работки ИС можно условно разделить на две части: 1) собст­ венно проектирование ИС; 2) разработка технологии изготовле­ ния ИС. При этом проектирование включает в себя комплекс работ, начиная от составления технического задания и кончая созданием комплекта фотошаблонов для проведения последова­

тельности операций селективной диффузии и металлизации и со­ ставлением проекта технических условий на серию разработан­ ных ИС.

Полный цикл работ по проектированию ИС включает следую­ щие основные этапы: 1) определение функционального состава

И

серии ИС и технических требований к каждой схеме; 2) функ­ ционально-логическое проектирование; 3) схемотехническое проектирование; 4) топологическое проектирование; 5) физико­ технологическое проектирование.

В зависимости от того, в какой последовательности выполня­ ются этапы -проектирования, различают нисходящее (сверху вниз) и восходящее (снизу вверх) проектирование. На практи­ ке эти виды проектирования сочетаются.

Проектирование ИС ведется либо на освоенном технологиче­ ском процессе с установившейся структурой ИС и известными параметрами активных компонентов для типовых геометриче­ ских конфигураций, либо на разрабатываемом новом технологи­ ческом процессе с необходимой физической структурой. В по­ следнем случае проектирование усложняется в основном за счет многократного повторения в различных сочетаниях работ по этапам 2...5.

Определение функционального состава серии ИС и техниче­ ских требований к каждой схеме. Функциональный состав се­ рии ИС и технические требования к ним определяются при разработке блок-схемы радиоэлектронного устройства. Серия необходимых ИС определяется на основе анализа структуры устройства. После этого разработчик аппаратуры готовит техни­ ческие требования на серию схем, на основании которых разра­ ботчик ИС составляет техническое задание на разработку с уче­ том технологических возможностей изготовления и возможностей унификации серии схем в разумных пределах с целью увеличения круга потребителей данной серии ИС. Технологические возмож­ ности изготовления ИС практически однозначно определяют степень сложности и предельные технические характеристики схем, которые можно создать в монолитном виде. На рис. 1.1 приведена зависимость процента выхода годных ИС от площади, занимаемой одной схемой. При малых площадях процент выхода мал из-за ограничений по разрешающей способности оптическо­ го оборудования, используемого для изготовления фотошабло­ нов, процесса фотолитографии и последовательности диффузион­ ных процессов. С увеличением размеров ИС процент выхода падает из-за увеличения вероятности попадания случайных, де­ фектов на активные области компонентов.

Функционально-логическое проектирование. Проектирование БИС, реализующих крупные функциональные узлы, номенклату­ ра которых определяется при проектировании конкретного типа РЭА, отличается от проектирования простых ИС тем, что разра­ ботке принципиальной электрической и топологической схемы предшествует функционально-логический этап.

На функционально-логическом этапе проектирования решают следующие взаимосвязанные задачи: логический синтез, логиче­ ское моделирование БИС на уровне вентилей, синтез контроли­

12

рующих и диагностических тестов для комбинационных и после­ довательностных БИС, контроль и диагностика схем памяти. Задачей логического синтеза, например, функционального узла ЭВМ является выбор оптимальной совокупности базисов для по­ строения БИС различных типов, построение оптимальной логиче­ ской схемы из логических элементов заданного базиса, соединен­ ных между собой с целью выполнения заданных правил функ­

ментов, структурными решениями, оптимальным размещением элементов и связей на кристалле. Логическое моделирование на уровне вентилей предназначено для анализа БИС с целью опре­ деления логической состоятельности проекта на выполнение за­ данных функций с учетом и без учета временных соотношений в них.

Проверка функционирования логической схемы включает в себя анализ логических функций, реализуемых схемой, и вре­ менных соотношений, а также определение наличия или отсут­ ствия состязаний сигналов или рисков сбоя. Проверка логиче­ ских функций, реализуемых схемой, осуществляется путем про­ гонки теста, т. е. моделирования работы схемы на некотором наборе значений входных сигналов. Для проверки временных соотношений необходимо учесть времена срабатывания элемен­ тов и задержки распространения сигналов. Это делается путем включения фиктивных линий задержки на выходе элемента.

Схемотехническое проектирование. В настоящее время пол­ ная задача синтеза активных ИС полностью не решена. Конфи­ гурация электрических схем выбирается исходя из опыта преды­ дущих разработок с учетом возможностей предполагаемого тех­ нологического процесса, а оптимизация схемы по выбранному критерию проводится для ограниченного числа параметров ком­ понентов.

13

Рассмотрим выбор принципиальных электрических схем на примере разработки серии ИС для электронной вычислительной техники. Как правило, каждый изготовитель ИС выпускает функ­ ционально полную и удобную для построения того или иного класса ЭВМ серию логических элементов. В основу каждой се­ рии положен один из типов логики. Каждая серия логических

Рис. 1.2. Типы логических схем для построения ЭВМ:

Т Т Л Ш (а ); И2Л (б ); Э С Л (а ); КМ Д П (г)

элементов оценивается по определенному набору параметров: задержке распространения сигнала, потребляемой мощности, помехоустойчивости, коэффициентам разветвления по входу и выходу, рабочему диапазону температур и т. д. В зависимости от того, какое сочетание значений указанных параметров наи­ более полно удовлетворяет требованиям технического задания, выбирается один из типов логических схем.

Наибольшее распространение получили следующие типы логических схем (рис. 1.2):

1)ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика;

2)ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодом Шотки;

14

Базовыми элементами соответствующих серий логических схем являются ключи, выполняющие функцию И—HE/ИЛИ—НЕ. Элемент, выполняющий такую функцию, обладает функциональ­ ной полнотой, и на его основе можно построить логическую часть любой ЭВМ. Для каждого класса ЭВМ целесообразно иметь се­ рию логических элементов (порядка 15...25 элементов), но и в этом случае логический элемент И—HE/ИЛИ—НЕ является ос­ новой серии.

Выбранный тип логики в значительной мере определяет прин­ ципиальные электрические схемы логических элементов. Разли­ чие электрических схем в пределах одного типа логики опреде­ ляется конкретными особенностями используемого технологиче­ ского процесса. После выбора принципиальных электрических схем определяют значения параметров компонентов, чтобы наи­ лучшим образом удовлетворялись требования технического зада­ ния к параметрам ИС. Эта задача исключительно трудоемкая. Метод граничных испытаний — один из немногих доступных для проектировщика, позволяющий оптимально выбрать некоторые значения параметров компонентов без применения ЭВМ. Для использования этого метода необходимо вывести соотношения, связывающие параметры схемы с параметрами компонентов. Считая параметры активных компонентов известными, опреде­ ляют степень влияния сопротивлений (для схем, в которых отсутствуют емкости и индуктивности) на параметры схемы и выбирают наиболее сильно влияющие на них два сопротивле­ ния. Затем строится область работоспособности схемы с задан­ ными параметрами в координатах выбранных сопротивлений; значения остальных сопротивлений выбираются на основании предварительного расчета схемы. Если области работоспособ­ ности не существует, всю процедуру повторяют с имеющимися другими наборами активных компонентов. Если и после этого не удается построить область работоспособности, проверяют дру­ гие принципиальные электрические схемы. В пределах области работоспособности в зависимости от критерия оптимальности выбираются оптимальные значения сопротивлений. Основной недостаток метода граничных испытаний — возможность прово­ дить оптимизацию схемы только по двум параметрам компонен­ тов. Область работоспособности для ТТЛ-схем приведена на рис. 1.3 (эта область выделена заштрихованным прямоугольни­ ком с координатами 0,85; 0,94; 3,4; 4,2).

В настоящее время задача оптимизации параметров компо­ нентов при заданной принципиальной электрической схеме ре­ шается обобщенным на п переменных методом граничных испы­

таний. Математически это сводится к решению общей задачи нелинейного программирования. Здесь же приведены линии

15

уровня (ограничения) для мощности Р = 20 мВт и трех значений задержки распространения f3.p= ll, 14, 20 нс.

Задача анализа ИС по постановке совпадает с задачей анали­ за схем на дискретных компонентах. Анализ ИС заключается в формировании математической модели схемы в виде систем диф­

Обычно рассчитываются частотно-зависимые параметры линей­ ных схем. При анализе ИС необходимо учитывать, что принципи­ альные электрические схемы ИС, подвергаемые анализу, содер­ жат помимо функционально необходимых компонентов большое количество компонентов, отражающих паразитные связи. Пара­ метры паразитных компонентов зависят от технологического метода изготовления и определяются специальными измерения­ ми. Кроме того, значения параметров компонентов ИС на крис­ талле взаимосвязаны.

Для анализа работы схемы необходимо знать уравнение, свя­

16

нентов аппроксимируют кусочно-линейными отрезками. Это по­ зволяет составить линейные уравнения, что существенно снижает трудоемкость расчетов.

Ст а т ис т иче с кие ме т о д ы занимают значительное мес­ то при анализе ИС. Проведенные исследования выявили следую­ щие основные особенности статистического анализа биполярных ИС, изготовленных по планарно-эпитаксиальной технологии со скрытыми слоями:

— распределения параметров активных и пассивных компо­ нентов характеризуются большими дисперсиями. В отличие от схем на дискретных компонентах параметры компонентов ИС имеют значительно больший разброс. Следовательно, метод рас­ чета должен обеспечить необходимую точность при больших дис­ персиях исходных данных;

—большие дисперсии исходных данных приводят к тому, что параметры ИС характеризуются также значительными диспер­ сиями. Это является причиной того, что при производстве ИС иногда весь массив схем разбивают по электрическим парамет­ рам на несколько групп;

—одна из самых существенных особенностей расчета ИС, вы­

текающая из группового способа их производства, — сильная корреляционная связь между параметрами компонентов;

—зависимости параметров ИС от параметров компонентов, как правило, нелинейны, что обусловливается наличием полупро­ водниковых активных компонентов с нелинейными характеристи­ ками и наличием паразитных связей между компонентами ИС;

—законы распределения плотности вероятностей некоторых параметров компонентов отличны от нормальных, и, кроме того, некоторые законы распределений являются усеченными.

Перечисленные особенности должны учитываться при выборе метода статистического анализа ИС.

Интегральная схема считается работоспособной, если ее вы­

ходные параметры находятся в заданных границах, т. е.

Уmix 1, * 2, . . • , X;, . . • > х п) йт,

где Xi — параметры компонентов (случайные значения); t//,— вы­ ходные параметры схемы (случайные значения); аи.— границы

работоспособности (неслучайные значения).

Статистический анализ ИС — это расчет вероятности того, что вектор X, заданный параметрами Х\, х2, .... хп, находится в об­ ласти работоспособности Q, т. е. P= P[XeQ], или расчет вероят-

17

ности того, что ни одно из неравенств системы (1.2а) не будет нарушено.

Наибольшее распространение получили следующие методы

щем: параметр схемы должен находиться в пределах установ­ ленного поля допуска при наиболее неблагоприятных сочетаниях погрешностей параметров компонентов. При этом погрешность параметров схемы определяется как сумма отдельных погрешно­ стей параметров схемы за'счет погрешностей параметров компо­ нентов, которые определяются влиянием каждого дестабилизи­ рующего фактора в отдельности. Основной недостаток метода — невозможность получения количественной оценки попадания па-

нормальные законы распределения параметров компонентов. При использовании Обоих методов можно учесть корреляцию

между параметрами компонентов в пределах одной ИС. Так, для учета корреляции между сопротивлениями все сопротивления ИС выражают через одно и соответствующие коэффициенты. В ряде случаев это существенно изменяет результаты расчета (до 10...

30% по некоторым параметрам ИС). Указанные методы не дают необходимой точности расчетов, поэтому в последние годы наблю­ дается переход на анализ ИС статистическими методами на ЭВМ с использованием более сложных моделей компонентов.

Появление ИС привело к появлению новых методов оценки работоспособности схем. Методы измерения параметров схем на дискретных компонентах не подходят для измерения параметров ИС. Практически невозможно контролировать характеристики ИС путем измерения параметров отдельных компонентов. Интег­ ральные схемы должны быть охарактеризованы в терминах ха­ рактеристик многополюсника: входных, выходных и передаточ­ ных. Пример таких характеристик с учетом разброса температур и коэффициентов нагрузки для схемы диодно-транзисторной ло­ гики приведен на рис. 1.4.

Проблемы контроля аналоговых и логических ИС существен­ но отличаются. Для определенности в дальнейшем будем рас­ сматривать ИС, предназначенные для цифровой вычислительной техники. Цифровые ИС характеризуются функциональными и измеряемыми параметрами.

Функциональные па р а ме т р ы количественно оцени­ вают логическую функцию цифровой ИС, их выбор производится

18

удобно сравнивать различные типы цифровых ИС. Так как про­ цесс измерения ИС сводится к измерению токов и напряжений на внешних выводах схемы, функциональные параметры долж­ ны выражаться через измеряемые. Рассмотрим системы статиче­ ских функциональных и измеряемых параметров и соотношения, связывающие их. Цифровые ИС характеризуются основными функциональными параметрами: N — коэффициент разветвления по выходу; Un°— помехоустойчивость в состоянии логического

Рис. 1.4. Пример входных (а), выходных (б), передаточных (в) характери­ стик цифровой схемы

нуля; tin1— помехоустойчивость в состоянии логической едини­ цы: Р — мощность, потребляемая схемой от источников питания

Л и — входной ток для состояния логической единицы на входе; /%ъlx— выходной ток для состояния логического нуля; Лвых—

ti1пор — пороговое напряжение для состояния логической едини­ цы; U'мин— минимально допустимое напряжение в состоянии логической единицы; С/°макс— максимально допустимое лапряжение в состоянии логического нуля; /° — ток, потребляемый схе­ мой в состоянии логического нуля от источников питания; Л — ток, потребляемый схемой в состоянии логической единицы от источников питания.

Измеряемые и основные функциональные параметры связа­ ны следующими соотношениями;

19

никающая при контроле цифровых ИС, — необходимость уста­ новки норм для измеряемых параметров и их граничных значе­ ний, обеспечивающих максимальный процент выхода годных ИС по функциональным параметрам. Эти данные служат основой для составления технических условий. Основную задачу можно ре­ шать в двух аспектах: 1) когда характеристики схемы получены теоретически в результате статистического анализа ИС (теорети­ чески предсказывается ожидаемый процент выхода годных ИС); 2) когда характеристики схемы получены экспериментально (максимизируется процент выхода годных для выпускаемых ИС).

Проектирование ИС, изготовляемых по установившейся тех­ нологии, при которой разбросы (законы распределения) парамет­ ров схем известны, можно осуществить таким образом, что про­ цент выхода годных схем будет максимальным. Эта возможность появляется благодаря применению метода статистической опти­ мизации. Статистическая оптимизация — это оптимизация, при которой целевой функцией является вероятность удовлетворения условий работоспособности схемы.

Рассмотрим в общем виде задачу статистической оптимизации ИС. На функциональные параметры проектируемой цифровой ИС обычно задаются следующие ограничения:

где 1з.р тз — средняя задержка распространения сигнала по тех­ ническому заданию (ТЗ); Ртз—средняя мощность потребления по ТЗ; Атз — нагрузочная способность по ТЗ; Uaтз — помехоус­

тойчивость по ТЗ.

Первое из неравенств (1.7) накладывает ограничения на ди­ намические, а остальные — на статические параметры схем. Систему (1.7) можно представить в общем виде; тр (хь х2, ..., хп)> 0 , где /=*1, 2, 3, 4; Хь х2, ..., х„—-параметры компонентов

20