Сквозное тепловое проектирование микроэлектронных устройств. Макаров О.Ю., Муратов А.В
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
О.Ю. Макаров, А.В. Муратов, И.К. Андреков
СКВОЗНОЕ ТЕПЛОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Учебное пособие
Воронеж 2001
УДК 621.382 + 681.3
Макаров О.Ю. Сквозное тепловое проектирование микроэлектронных устройств: Учеб. пособ. / О.Ю. Макаров, А.В. Муратов, И.К. Андреков Воронеж. гос. техн. ун-т. Воронеж, 2001. 90 с.
Рассмотрены методы построения и вопросы разработки математического обеспечения подсистем теплового проектирования в составе интегрированных САПР микроэлектронных устройств. Приводятся тепловые модели различных конструкций, математические модели статических и динамических тепловых процессов в электронных устройствах. Предложены процедуры и алгоритмы моделирования температурных полей и конструктивнотеплового синтеза микроэлектронных устройств, использующие набор тепловых критериев для оптимизации тепловых режимов на этапах схемотехнического и конструкторско-топологического проектирования.
Издание предназначено для студентов специальности 200800 "Проектирование и технология РЭС" изучающих дисциплины ―Основы проектирования РЭС‖ и ―Теплофизическое проектирование‖, может быть полезно для аспирантов и научных работников, специализирующихся в области теплового проектирования микроэлектронных устройств.
Учебное пособие подготовлено на магнитном носителе в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле ―Сквозное тепловое проектирование.exe‖.
Табл. 7. Ил. 24. Библиогр.:140 назв.
Научный редактор: д-р техн. наук, профессор В.М. Шишкин
Рецензенты: заведующий кафедрой ИТО ОВД д-р техн. наук, профессор В.И. Сумин;
д-р техн. наук, профессор Н.И. Баранников
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета.
Макаров О.Ю., Муратов А.В., Андреков И.К. 2001 Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2001
ВВЕДЕНИЕ
Разработка современных микроэлектронных устройств (МЭУ), выполняемых с использованием перспективной элементной базы (БИС, микросборок, многокристальных модулей), требует решения ряда взаимосвязанных конструктивно-технологических задач, обеспечивающих получение качественных и надежных устройств.
Эффективное решение проблемы комплексного обеспечения надежности МЭУ с учетом функциональных, конструктивных и тепловых факторов, то есть с охватом различных аспектов и этапов разработки, возможно при построении САПР на основе концепции параллельного проектирования или комплексного инженерного подхода, направленного на взаимосвязанное решение различных проектных задач и включающего такие направления, как проектирование с обеспечением надежности, проектирование с обеспечением тестируемости, проектирование с обеспечением технологичности и т.д.
Одной из важнейших является задача оптимизации теплового режима МЭУ, решаемая средствами теплового проектирования в составе САПР. Усложнение функций, уменьшение габаритов, увеличение степени интеграции ИС, рост быстродействия вызывают резкое повышение удельных тепловых потоков в аппаратуре и соответственно усиление тепловых воздействий, что определяет повышенное внимание к вопросам моделирования и оптимизации температурных полей и создания средств теплового проектирования.
Таким образом, усложнение функций, уменьшение габаритов, увеличение степени интеграции, плотности компоновки, рост быстродействия элементной базы и самих устройств вызывают резкое повышение удельной теплонагруженности и соответственно усиление термических воздействий. Поэтому проблема отвода тепла выходит на первый план при создании современных МЭУ, а налагаемые этим ограничения являются одним из основных факторов, сдерживающих увеличение степени интеграции и быстродействия, что определяет повышенное внимание к вопросам моделирования и оптимизации температурных полей и актуальность совершенствования и создания новых средств автоматизированного теплового проектирования, ориентированных на современные концепции организации проектных работ. А процедуры анализа и обеспечения ТР становятся необходимой частью маршрута сквозного надежностно-ориентированного проектирования МЭУ.
В данном издании рассматриваются задачи, принципы построения, структура подсистемы оптимального теплового проектирования САПР МЭУ и основные проектные процедуры процесса автоматизированного обеспечения тепловых режимов МЭУ, охватывающего этапы разработки, относящиеся к функциональному и конструкторскому аспектам, который направлен на решение проблемы оптимального управления тепловым процессом в МЭУ, заключающееся в выборе таких проектных решений, которые с учетом кон- структивно-технологических ограничений, заданных внешних воздействий, условий и режимов работы позволяют обеспечить требуемое или оптимальное по какому-либо критерию пространственно-временное распределение
температурного поля в устройствах в целом, их элементах и компонентах, направленное на получение необходимого уровня стабильности и безотказности.
Рассматривается математическое обеспечение подобной подсистемы: модели, применяемые для анализа температурных полей различных иерархических уровней конструкций МЭУ (от компонента до устройства в целом), тепловые критерии оптимальности конструкции и топологии, методы моделирования и оптимизации конструктивных параметров и топологии МЭУ, обеспечивающие заданные требования к тепловым характеристикам и надежности.
Учебное пособие предназначено для использования в учебном процессе при изучении дисциплин ―Основы проектирования РЭС‖ и ―Теплофизическое проектирование‖ студентами специальности 200800 ―Проектирование и технология РЭС‖, а также может быть использовано студентами и аспирантами других специальностей радиотехнического профиля.
1. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ САПР МЭУ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА К ОПТИМИЗАЦИИ ТЕПЛОВЫХ
ПРОЦЕССОВ ПРИ СКВОЗНОМ ПРОЕКТИРОВАНИИ МЭУ
Широкое применение МЭУ для создания современных радиоэлектронных средств и высокопроизводительных ЭВМ позволяет существенно улучшить характеристики аппаратуры - повысить быстродействие и надежность, снизить габариты, массу и мощность потребления и т.д. Поэтому повышение эффективности автоматизированного проектирования МЭУ, разработка новых методов и средств САПР, позволяющих обеспечивать необходимый уровень качества и надежности при сокращении сроков разработки, является весьма актуальной проблемой.
1.1. Процесс оптимального теплового проектирования в современных интегpиpованных САПР МЭУ
Разработка современных МЭУ, выполняемых с использованием полупроводниковых интегральных схем (ИС), больших и сверхбольших ИС (БИС и СБИС), гибридных ИС (ГИС), микросборок (МСБ), многокристальных модулей (МКМ), керамических микроплат и плат с многослойной
металлизацией, крупноформатных подложек, многослойных печатных плат, микроблоков и т.п., требует решения комплекса взаимосвязанных функциональных, конструктивных и технологических проблем, обеспечивающих получение качественных и надежных устройств.
Как объект проектирования (ОП) МЭУ представляют собой сложные системы, поэтому при их проектировании широко используется системный подход /1/, в соответствии с которым согласно принципу декомпозиции устройство разделяется на ряд структурных иерархических уровней ( элемент, компонент, кристалл, фрагмент кристалла БИС, микроплата, корпус и т.д.) и аспектов (функциональный, конструкторский, технологический) /2-4/. Такой подход приводит к иерархическому принципу разработки и делению процесса сквозного проектирования МЭУ на этапы: системного проектирования; функционального (ФП) и функционально-логического проектирования (ФЛП); схемотехнического проектирования (СХП); конструкторского проектирования (КП) с подэтапом топологического проектирования; физикотопологического проектирования (ФТП) /2-9/.
Важной проблемой, возникающей в процессе поэтапного проектирования, является согласование и взаимный учет решений, принимаемых на отдельных этапах, для получения оптимального конечного результата. Это обусловлено тем, что современные тенденции в области создания новых МЭУ (уменьшение размеров компонентов, повышение степени интеграции и быстродействия, увеличение площади кристалла, совершенствование технологии и т.д.) требуют в процессе разработки решения комплекса взаимосвязанных физико-технологических, функционально-схемотехнических и конструкторских проблем /1,6,10-17/.
Микроэлектронные устройства как ОП характеризуются следующими особенностями: большая размерность решаемых задач, ведущая к широкому применению принципа декомпозиции по структурному и функциональному признакам; недопустимость дефектов проектирования, так как многие виды МЭУ являются неремонтопригодными изделиями; необходимость автомати-
зированного анализа и верификации результатов всех этапов проектирования; тесная связь и взаимовлияние различных этапов. Следовательно, в составе интегрированных САПР необходимо иметь средства, позволяющие проводить комплексный анализ и оптимизацию проектируемых устройств с учетом взаимосвязи решений, принимаемых на разных этапах и относящихся к различным аспектам /2,6,7,9,10/.
Это требует наличия в составе математического и программного обеспечения (МО и ПО) САПР МЭУ моделей и программных средств (ПС) моделирования физических процессов разной природы (электромагнитных, тепловых, механических), что позволит разработчику учитывать воздействие соответствующих эффектов (паразитные связи; саморазогрев и тепловые взаимодействия; механические напряжения и т.д.) при выполнении различных проектных процедур, относящихся ко всем аспектам. Такой подход позволяет организовать сквозной процесс обеспечения надежности и качества, как того требует международный стандарт ИСО 9001 (ГОСТ 40.9001) /20/, и придать средствам автоматизированного проектирования надежностноориентированный характер, отсутствие которого в широко распространенных программных комплексах является их существенным недостатком /7,19-20/. Повышение же надежности современных радиоэлектронных устройств играет определяющую роль в процессе их совершенствования, а следовательно, и в развитии САПР МЭУ /7,11,23/. Основными факторами, влияющими на надежность МЭУ, являются электрические и тепловые процессы, неразрывно связанные с функционированием электронных схем /19,21-27/.
Тепловые воздействия оказывают существенное влияние на стабильность функционирования и характеристики радиоэлектронных уст- ройств /16,22,23,28-31/, повышенная температура приводит к изменению параметров полупроводниковых приборов и ИС и к усилению их зависимости от режима /6,15,27,28,32-42/, а также к существенному ухудшению показателей надежности как по внезапным, так и параметрическим отказам /7,10,19- 23,25-27,36,42-49/: интенсивность отказов современных активных компонен-
тов (АК) на основе кремния увеличивается в 1,5-2 раза при повышении температуры на 10 К /19,22/. По данным, приведенным в /44/, 74 % всех отказов современной аппаратуры связано с тепловыми воздействиями, поэтому в стандартах на полупроводниковые приборы и ИС (ГОСТ 11630, ГОСТ 18725) содержатся требования снижения температуры до минимально возможных значений.
Следовательно, для обеспечения и прогнозирования надежности при проектировании МЭУ важнейшей информацией являются, кроме параметров электрического режима, подробные характеристики температурного поля устройства, а проблема обеспечения нормального теплового режима (ТР) МЭУ должна обязательно решаться в процессе разработки, для чего в состав САПР должны входить соответствующие средства анализа и оптимизации тепловых процессов /3,4,9,11,22,23,47,50-53/.
Эффективное решение проблемы комплексного обеспечения надежности МЭУ с учетом функциональных, конструктивных и тепловых факторов, т.е. с охватом различных аспектов и этапов разработки, возможно при построении и функционировании САПР на основе концепции параллельного проектирования /54-56/ или комплексного инженерного подхода, направленного на взаимосвязанное решение различных проектных задач и включающего такие направления, как проектирование с обеспечением надежности, проектирование с обеспечением тестируемости, проектирование с обеспечением технологичности и т.д. /20,55,56/. Методология параллельного проектирования базируется на интенсивном взаимодействии всех выделенных технических аспектов ОП со своими средствами автоматизации, в число которых входят и средства теплового проектирования (ТП), в ходе всего цикла проектных работ.
Таким образом, одной из главных при создании МЭУ является про-
блема обеспечения ТР /5,7,10,16,17,22,23,26-29,36,47,48,50,52,53,57,58/, а в составе интегрированных САПР важное место занимают средства моделирования и оптимизации тепловых характеристик создаваемых устройств, так
как тепловые ограничения оказывают существенное влияние на процесс совершенствования их функциональных и конструктивных характеристик /5- 7,10-12,17,26,31,33,39,57,59-63/.
Прогресс в современных технологиях микроэлектроники и совершенствование элементной базы (использование процессов "Изопланар II" и "Изопланар S", LOCOS, поликремниевого процесса со сверхсамосовмещением, обеспечивающих переход к субмикронным топологическим размерам; применение комбинированных МОП-биполярных схем, GaAsприборов с затвором Шотки, многоуровневой металлизации, многослойной керамики и т.д.) /6,10-13,15,26,41,64-67/, а на этой основе и в функциональ-
ном и конструкторском проектировании /2-9,10,14,20,26,50,52,54-56,63,65,68- 74/, появление новых конструкций /5-7,10-14,26,37,43,44,52,57,63-65,67- 69,72-81/ обостряют проблему реализации эффективного теплоотвода в существующих и перспективных МЭУ.
Использование компонентов микросхем с субмикронными размерами /6,10-12,41,77/, появление ультраБИС с числом транзисторов на кристалле 107-108 /6,64/, новейших микропроцессоров (МП) и СБИС ОЗУ /82,83/, сверхскоростных БИС и СБИС (С3БИС) /6,77/, схем с интеграцией на целой пластине /43,68/, трехмерных ИС /75/, больших ГИС и МСБ /43,65,72/, МКМ на базе многослойных керамических и крупноформатных металлических подложек (в том числе и для реализации мощных схем) /5,7,44,57,67,78,84/, СВЧ ИС и МСБ, работающих в диапазоне 10-102 ГГц /77,79/, микроблоков /79/, плат с поверхностным монтажом /44,57,80/, мощных ВЧ и СВЧ биполярных и полевых транзисторов (БТ и ПТ) /26,35-37,48/, рост быстродействия цифровых устройств (тактовая частота 102-103 МГц) /10,68,77,85/ ведут к увеличению тепловой нагрузки, оцениваемой по значению удельного теплового потока q = Р/S или q = P/V, где Р - выделяемая тепловая мощность, S и V - площадь и объем прибора, и соответственно к усилению температурных воздействий.