Автоматизация проектирования конструкторско-технологического базиса комплементарных БИС двойного назначения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Ачкасов, Владимир Николаевич

• Ачкасов, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ачкасов, Владимир Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 0 КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО БАЗИСА

КМОП БИС В САПР ИЭТ.

1.1. Современное состояние развития специальной элементной базы электроники в России.

1.2. Конструктивно-технологические принципы создания радиационно-стойких КМОП БИС.

1.3. Особенности и недостатки конструктивно-технологического базиса современных КМОП БИС, имеющих приемку "5".

1.4. Анализ средств проектирования конструктивно-технологического ядра для создания КМОП БИС, имеющих приемку "5" в САПР ИЭТ.

1.4. Постановка задачи.

Выводы первой главы.

С ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОНСТРУКТИВНО

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЯДРА КМОП БИС В САПР ИЭТ.

2.1. Разработка конструктивно-технологического базиса современных КМОП БИС, имеющих приемку "5 м в САПР ИЭТ.

2.2. Моделирование воздействия тепловых и термомеханических эффектов, возникающих в материалах ИМС при воздействии излучения с большим поглощением.

2.3. Моделирование тепловых и термомеханических эффектов в материалах микросхем.

2.3.1. Тепловые эффекты.

2.3.2. Термомеханические эффекты.

2.4. Моделирование радиационных эффектов на физико-технологическом уровне в САПР ИЭТ.

2.4.1. Влияние ионизирующих излучений на электрофизические

Ф параметры полупроводников и диэлектриков.

2.4.2. Влияние технологического процесса на образование дефектов.

Выводы второй главы.

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО БАЗИСА

РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ ИС.

3.1. Общий алгоритм моделирования работы ИС с приемкой «5» в условиях воздействия внешних факторов в подсистеме САПР ИЭТ.

3.2. Алгоритм расчета тепловых и термомеханических эффектов.

3.3. Алгоритм моделирования переходных и долговременных ф эффектов в ИС при воздействии внешних факторов.

3.4. Алгоритмы конструкторского проектирования базовых элементов КМОП БИС и преобразования различных схемотехнических базисов в заданный КТБ.

Выводы третьей главы.

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КМОП БИС

ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ.

4.1. Структура программных средств и особенности ее построения.

4.2. Создание библиотеки базовых элементов.

4.3. Анализ эффективности подсистемы моделирования.

Выводы четвертой главы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация проектирования конструкторско-технологического базиса комплементарных БИС двойного назначения»

Актуальность темы. В последнее десятилетие проводятся интенсивные ^ исследования возможности применения комплементарных (металл-окиселполупроводник) КМОП БИС в аппаратуре двойного назначения для построения различных систем управления и контроля космических объектов, атомных энергосистем, исследовательских ядерных центров и т.п. Это обусловлено тем, что данный класс БИС наиболее выгоден с точки зрения обеспечения минимальной потребляемой мощности, невысокой стоимости, габаритов и веса. Их применение в указанных системах возможно, если КМОП БИС будут работоспособны в жестких условиях воздействия температур, механических нагрузок и различных видов радиационных воздействий.

Проведение исследований, проектирование, производство и испытания КМОП БИС двойного назначения невозможно обеспечить без развития средств ^ автоматизации проектирования. Однако известные отечественные САПР не имеют достаточно развитых средств для проектирования конструкторско-технологического базиса (КТБ) КМОП БИС двойного назначения. Зарубежные программные комплексы, обладающие данными средствами, имеют очень высокую стоимость, а продажа наиболее современных средств не производится.

Поэтому развитие отечественных средств автоматизации КТБ КМОП БИС является актуальной задачей. К наиболее важным из них относятся моделирование тепловых эффектов, связанных с импульсным и статическим разогревом от воздействия радиации; термомеханических импульсных и квазистатических напряжений; моделирование отказов из-за эффектов ионизации, структурных повреждений материалов, накопления объемного фиксированного заряда за счет облучения. ^ Одной из важнейших задач (в условиях принятой в электронной промышленности методики проектирования) является разработка конструкторско-технологического базиса стандартных (базовых элементов) КМОП БИС двойного назначения. В их состав входят как простейшие логические элементы, так и большие типовые функциональные блоки.

Приведенный перечень задач доказывает необходимость создания подсистемы автоматизации проектирования КТБ КМОП БИС двойного назначения, которая могла бы использоваться как автономно, так и в составе интегрированной САПР.

Диссертация выполнена в соответствии с планами важнейших работ Министерства • электронной промышленности СССР, госзаказов Министерства науки, промышленности и технологий РФ по НИОКР «Улавливатель-8М», «Тропа», «Танго», «Квартет», а также по научному направлению ВГЛТА - «Разработка автоматизированных средств проектирования (в промышленности)».

Цель работы и задачи исследования - разработка методов, математических моделей алгоритмов и программ для проектирования конструкторско-технологического базиса КМОП БИС двойного назначения и создание на этой основе проблемно ориентированной подсистемы проектирования и исследование эффективности ее применения в процессе внедрения в электронной промышленности.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач: определение функций и архитектуры подсистемы автоматизации проектирования КТБ КМОП БИС двойного назначения и обоснование методики проектирования;

- разработка математической модели учета тепловых эффектов, связанных с импульсным и квазистатическим разогревом за счет воздействия радиации;

- математическое моделирование термомеханических напряжений в конструкциях КМОП БИС;

- разработка математических моделей отказа микросхем вследствие эффектов ионизации, структурных повреждений и накопления объемных фиксированных зарядов;

- создание алгоритмов моделирования тепловых, термомеханических эффектов при радиационном воздействии и отказов микросхем за счет процессов ионизации, структурных изменений и накопления объемных фиксированных зарядов;

- модификация методов, моделей и алгоритмов размещения элементов и трассировки связей между ними при проектировании топологии базовых элементов КМОП БИС двойного назначения;

- создание средств преобразования различных схемотехнических базисов в типовой КТБ; программная реализация разработанных средств автоматизации проектирования КТБ КМОП БИС двойного назначения;

- использование разработанных средств в процессе внедрения в электронной отрасли при создании семейства КМОП БИС серии 1867, 1874, 1578.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи использован аппарат теории вычислительных систем, автоматизации проектирования, математического моделирования и программирования, теорий цепей и полупроводниковых приборов.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- математическая модель и алгоритм учета тепловых эффектов с импульсным и квазистатическим разогревом за счет рентгеновского излучения, отличающиеся универсальностью - возможностью моделирования процессов во всем временном диапазоне радиационного воздействия и его последующего проявления и более высокой точностью;

- модели и алгоритмы расчета термодинамических напряжений в конструкциях микросхем при радиационном воздействии, отличающиеся динамическим учетом всех фаз физического процесса - возникновения напряжения сжатия, генерации упругих волн с последующей интерференцией, напряжений растяжения в конструкциях элементов изделия и между ними вследствие теплового расширения и более высокой адекватностью;

- математические модели и алгоритмы отказов микросхем за счет ионизации и изменения порогового напряжения вследствие накопления объемных зарядов под действием радиационного воздействия, отличающиеся более полным учетом физических процессов и, как следствие, большей точностью, а также невысокими вычислительными затратами; модифицированные методы, модели и алгоритмы конструкторского проектирования базовых элементов КМОП БИС двойного назначения и алгоритм преобразования различных схемотехнических базисов в заданный КТБ, отличающиеся применением процедуры направленной настройки вычислительного процесса за счет особенностей объекта проектирования, текущих результатов проектирования и обеспечения условий гарантированного конструирования в автоматизированном режиме;

- методика проектирования КТБ радиационностойких КМОП БИС, принятая в электронной промышленности в качестве базовой для обязательного применения на всех предприятиях соответствующего профиля.

Практическая ценность работы заключается в разработке средств автоматизации проектирования КТБ КМОП БИС двойного назначения, использование которых в организациях электронной промышленности позволяет, во-первых, обеспечить автоматизацию проектирования данного класса микросхем, сократить время проектирования и обеспечить его безошибочность. Разработанные средства могут использоваться как автономно, так и в составе интегрированных САПР изделий электронной техники.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные средства автоматизации проектирования внедрены в ФГУП «НИИ Электронной техники» (г.Воронеж) и используются в процессе проектирования КМОП БИС. В частности с их использованием проведено проектирование и создание семейства КМОП БИС двойного назначения серии 1867, которое в настоящее время широко используется в аппаратуре гражданского и военного назначения.

Применение разработанных средств позволило значительно сократить сроки проектирования и уменьшить затраты на проектирование.

Разработанная методика автоматизации проектирования КМОП БИС принята в качестве обязательной для применения на предприятиях электронной промышленности.

Методические, математические и программные разработки диссертации послужили основой большого количества дипломных, курсовых, лабораторных работ, учебников и методических пособий в ВГТУ по различным специальным дисциплинам на кафедре САПРИС (систем автоматизации проектирования и информационных систем).

Апробация работы и публикации. Основные теоретические положения и практические результаты диссертации докладывались на ежегодных научных конференциях ВГЛТА и ВГТУ, на совещаниях и коллегиях департамента электронной промышленности, выполнено более 20 НИОКР за период с 1985 по 2003 гг, по которым автор является научным руководителем или главным конструктором.

Автор выступал с докладами на конференциях и семинарах, в том числе: на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2002); I Международной практической конференции «Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппаратуры авиационной и космической техники» (г.Королев, 2002); Российской конференции "Радиационная стойкость электронных систем (Стойкость 2002)" (Москва, 2002); Международной научно-технической конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования и информационных технологий» (Сочи, 2003); II Международной практической конференции «Влияние внешних воздействующих факторов на элементную базу аппаратуры авиационной и космической техники» (г.Королев, 2003).

Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликованы 17 научных работ, в том числе одна монография. Получено 5 авторских свидетельств на изобретение.

Четыре работы написаны без соавторов, в монографии автору принадлежит более 30% материала, остальных работах - более 50%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 130 странице, включая иллюстрационный материал.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Ачкасов, Владимир Николаевич

Выводы четвертой главы

1. Рассмотрены особенности программной реализации средств проектирования ПЦОС двойного назначения, отличающейся учетом радиационного воздействия с большей адекватностью и меньшими затратами времени на моделирование.

2. Разработана библиотека базовых элементов ядра ПЦОС, отличающаяся учетом конструктивно-технологический особенностей, режимов эксплуатации, радиационного воздействия. Данная библиотека насчитывает три иерархических уровня и содержит более 500 элементов, что позволяет создавать ИС практически любой сложности.

3. Разработано ядро функционально-полного комплекта СБИС двойного назначения, позволяющее создавать различные модификации ПЦОС. На основе разработанных средств создана целая гамма ИС серий 1830, 1867, 1874, 1868.

4. Проведена оценка точности и эффективности разработанных средств проектирования.

Заключение

Создан комплекс программ, объединенный в подсистему автоматизации проектирования КТБ КМОП БИС двойного назначения, реализующий разработанные в диссертации методы, математические модели и алгоритмы. В ходе выполнения исследований были получены следующие основные результаты:

1. Обоснованы функции и структура объектно-ориентированной платформы средств автоматизации проектирования КТБ КМОП БИС двойного назначения.

2. Предложены математическая модель и алгоритм расчета тепловых эффектов за счет воздействия рентгеновского излучения, обеспечивающих моделирование процессов во всем временном диапазоне радиационного воздействия и его последующего проявления и достаточную адекватность для практических применений.

3. Разработаны модель и алгоритм моделирования термомеханических напряжений в конструкции микросхем при радиационном воздействии, учитывающие в динамике все фазы физических процессов: возникновения напряжения сжатия, генерации упругих волн с последующей интерференцией и напряжения вследствие теплового расширения в конструкциях изделий и между ними.

4. Предложены математические модели и алгоритмы отказов микросхем за счет ионизации и изменения порогового напряжения вследствие накопления объемных зарядов за счет влияния технологических операций и радиационного воздействия, отличающиеся универсальностью и высокой точностью моделирования.

5. Проведена модификация методов, моделей и алгоритмов конструкторского проектирования базовых элементов КМОП БИС двойного назначения, обеспечивающих гарантированную автоматизированную реализацию топологии за счет элементов направленной настройки вычислительного процесса.

6. Предложен метод и алгоритм преобразования различных схемотехнических базисов в заданный КТБ КМОП БИС двойного назначения методом трансформации.

7. Осуществлена программная реализация подсистемы проектирования КТБ КМОП БИС двойного назначения.

8. Разработанная подсистема внедрена в ФГУП «НИИЭТ» (г.Воронеж) при проектировании КТБ КМОП БИС двойного назначения, на основе которого создано семейство БИС серии 1867, 1874, 1578. За счет обеспечения достоверного проектирования конструкторско-технологической основы значительно сокращен цикл создания БИС, получен экономический эффект более 5,3 млн рублей. На основе подсистемы создан программно-аппаратный комплекс, который используется в учебном процессе на кафедре САПРИС Воронежского государственного технического университета при проведении цикла лабораторных, курсовых и дипломных работ, а также теоретического курса по дисциплине «Основы автоматизации проектирования изделий электроники и вычислительной техники».

9. На основе применения разработанного комплекса разработана методика проектирования КТБ КМОПБИС двойного назначения с учетом радиационного воздействия, принятая в департаменте электронной промышленности в качестве базовой для всех предприятий соответствующего профиля.

-V

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ачкасов, Владимир Николаевич, 2003 год

1. Событие века. 2 5-летний юбилей первого микропроцессора // Электроника и компоненты, 1997, N1, стр.2.

2. Е.Иванов. Стандартные микропроцессоры и микроконтроллеры //Электронные компоненты, 2000. N2, стр.5.3. 16-разрядные микроконтроллеры PHILIPS, PANASONIC, OKI, TI. // Chip News, 2000 г N7,.

3. Борис Малашевич. 8-разрядные микроконтроллеры //Электронные компоненты, 1999 N 5, стр.53

4. IEEE Spectrum, 1998, V.35, N9, р.39.

5. Новые DSP новый рывок в производительности //Chip News, 200, N10.

6. Хаффнер Дж. Ядерное излучение и защита в космосе. М.: Атомиздат, 1971.

7. Ширшев Л.Г. Ионизирующие излучения и электроника. М.:Сов. Радио, 1969.

8. Акишин А.И., Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов // Новое в жизни науки и техники. Сер. Космонавтика и астрономия. М.:Знание, - 1983. - №4.

9. Максименко Б.П. Использование ядерных реакторов в космосе //Атомная техника за рубежом. 1985. - №2. - С.10-15.

10. Раевский И.И. Тищенко В.А., Смирнов Б.В. Разработка космических ядерных установок в США //Атомная техника за рубежом. 1985.- №8. С.3-9.

11. Bennet G.L., Lombardo J.L., Rock B.L. US radioisotope thermoelectric generation in space // The Nuclear Engineer. 1984. - Vol.25. - N2. - P.49-59.

12. Звездные войны иллюзии и опасности. - М.:Воениздат, 1985.

13. Действие ядерного оружия: Пер. с англ. М.:Воениздат, 1965.

14. Ядерное оружие (физические основы): Сб. Статей / Под ред. В.Ф.Петрова. М.: Воениздат, 1963.

15. ГОСТ 18298-79. Термины и определения.

16. Броуд Т.Д. Действие ядерного взрыва // Действие ядерного взрыва. М.:Мир, 1971 - С.9-88.

17. Larin F. Radiation Effects in Semiconductor Device. N.Y.John Wiley and Sons Inc., 1968.

18. Мощные наносекундные импульсы рентгеновского излучения / Г.А.Месяц,20.