Учебное пособие 800347

обеспечение надежной работы МЭУиА в условиях тепловых воздействий.

Постоянное изменение ОП в сторону усложнения, сокращение времени морального старения МЭУ в совокупности с вышеперечисленными задачами формируют следующие требования, предъявляемые к комплексам ТП:

возможность моделирования ТР и синтеза конструкций как имеющихся, так и принципиально новых типов МЭУ;

низкие затраты времени на проектирование в сочетании с достаточной точностью результатов;

возможность варьирования временем и точностью вычислений в зависимости от полноты исходных данных и постановки конкретной задачи;

унифицированность применяемых ТМ и ММ; наличие графических средств ввода-вывода информации.

Проанализируем существующее ПО с точки зрения соответствия их данным требованиям /53/.

В настоящее время создано большое количество ПС для проведения ТП МЭУ, в основном выполняющих моделирование ТР устройств /1,3,47,106,108,117,119-124/

ИС (кристаллов) /24,28,29,33,47,100-102/ или отдельных компонентов /33,51,99,107,115,116,118/.

Большая часть разработанных программ предназначена для самостоятельного использования, есть и программы, входящие в состав пакетов проектирования (например, "САМОРАЗОГРЕВ-1", являющаяся составной частью ПО проектирования БИС /115,118/).

Программы /99,115,118/ предназначены для моделирования температурных полей отдельных компонентов и элементов БИС на этапе ФТП и осуществления совместного электротеплового анализа, основаны на численном решении фундаментальной системы уравнений (ФСУ) полупроводника, поэтому в силу высокой трудоемкости данный метод не может использоваться на других проектных этапах.

Также разработан ряд отечественных (РАПИРА-9, ПРАМ-9, ТЕРМ,

АСОНИКА-Т, ПАТЕПС, PCPANT и т.д.) /1,3,47,117,119,122,123/ и зарубежных (Auto Therm, Photo Therm, Sauna и др.) /120,121,124/ отдельных про-

граммных комплексов и подсистем теплового проектирования, различающихся по степени точности, универсальности, стоимости, пользовательскому интерфейсу, возможности интеграции и т.д.

Результаты моделирования могут выводиться в разнообразной форме: таблицы, температурные карты (PCPANT), изотермические карты и температурные профили (Auto Therm и Photo Therm). Последние системы позволяют получить также перечень мест с критическими значениями температур, точные значения температур в любом месте корпуса ИС или платы.

Базовой в таких комплексах является подсистема анализа тепловых характеристик, выполняющая идентификацию параметров конструкций МЭУ и моделирование температурных полей, результаты работы которой используются подсистемой обеспечения ТР, которая дает возможность получать рекомендации по изменению параметров конструкции и системы охлаждения (ПРАМ-9, PCPANT и др.). Некоторые из них ( в частности, Auto Therm) не имеют таких возможностей, что отрицательно сказывается на их эффективности. Основу различия систем составляют способы получения ТМ, степень их универсальности и детализации, методы расчета ТР и тепловых характеристик конструкций МЭУ. Для получения ТМ применяются два основных подхода: ТМ различных типов конструкций МЭУ заложены изначально в базу данных (БД), а методы моделирования жестко заданы в программе (большинство имеющихся систем ТП); синтез ТМ на основе информации о данной конструкции (PСPANT, Sauna) /119,124/.

Основным недостатком первого подхода является сам принцип изначального применения заданного множества ТМ, что не позволяет проводить анализ нетиповых конструкций и снижает степень универсальности. Изменение точности применяемых моделей приводит к необходимости перепрограммирования модулей или требует наличия нескольких расчетных мо-

дулей для одной задачи, а внесение новых ТМ в БД - написания дополнительных программ с возможной модификацией имеющихся. Как правило, управление соотношением ―точность - затраты машинного времени‖ затруднено или связано с большой функциональной избыточностью системы. Большие размеры БД, определяемые необходимостью хранения широкой номенклатуры ТМ, увеличивают время поиска и передачи информации.

В системах второго типа ТМ МЭУ генерируются в процессе проектирования на основе определенной базовой информации и описания, вводимого пользователем при помощи проблемно-ориентированного языка или средств графического интерфейса. Однако стремление разработчиков PCPANT и Sauna использовать простые структуры ТМ, облегчающие их формирование и обеспечивающие минимальное время расчета, обусловило применение метода электротепловой аналогии и графо-топологических методов построения моделей, привело к недостаточно высокой точности вычислений и низкому удобству в работе (например, от пользователей PCPANT требуется ввод точного значения всех величин тепловых проводимостей между элементами конструкции). Как и в вышеперечисленных, отсутствует возможность автоматизированной разработки оптимального варианта конструкции по заданному ТР.

Также недостатком многих систем является неразвитость интерфейса с другими подсистемами и пакетами, закрытость, ориентация на поддержку конструкторско-топологических этапов проектирования. Широко используются проблемно-ориентированные входные языки, но не всегда уделяется внимание построению графических средств ввода, способствующих уменьшению времени ввода информации.

Проведенный анализ существующих средств ТП показывает, что реализованные в них подходы не обеспечивают необходимой комплексности и эффективности при решении вопросов обеспечения ТР в сквозном процессе разработки МЭУ, а поддержка процесса параллельного проектирования тре-

бует дальнейшего развития таких средств, направление которого связано с возможностью решения сформулированного выше комплекса задач.

Создание подобных систем, обеспечивающих организацию и проведение процесса сквозного ТП, с учетом требований к инструментальным средствам, выдвигаемых в рамках современных концепций проектирования, требует решения следующих вопросов:

анализ конструкций МЭУ и процесса их разработки с точки зрения оптимизации тепловых режимов в рамках параллельного подхода и формирование комплексной тепловой модели МЭУ, применимой на всех рассматриваемых этапах;

анализ тепловых процессов и разработка моделей тепловых источников в полупроводниковых приборах и электротепловых моделей АК, учитывающих режимы работы, для применения на этапах функционального проектирования;

разработка моделей и алгоритмов оптимального синтеза теплоотводящих устройств;

разработка процедур выбора тепловых критериев оптимальности с учетом функционального назначения и конструктивных особенностей МЭУ;

разработка комплекса алгоритмических процедур моделирования температурных полей и оптимизации тепловых характеристик в процессе проектирования МЭУ;

разработка программного комплекса, ориентированного на поддержку параллельного подхода к ТП в рамках интегрированной САПР МЭУ.

Эффективное решение рассматриваемой проблемы, совершенствование средств автоматизированного проектирования в данной предметной области возможно на основе дополнения и расширения концепции опережающего теплофизического проектирования, базирующейся на принципах агрегации, адекватности, информационной совместимости и многокритериальности /53/, которые дополняются новым принципом многоэтапности, заключающимся в требовании проводить работы по анализу и оп-

тимизации тепловых характеристик на всех стадиях разработки с охватом различных уровней конструктивной иерархии (от компонента до устройства в целом). Такой подход связан с необходимостью придания процессу обеспечения ТР глобального характера, т.е. процедуры ТП, основанные на моделировании температурных полей и оптимизации тепловых характеристик, должны выполняться параллельно с процедурами функционального анализа и конструктивного синтеза, использовать набор взаимосвязанных тепловых критериев, адаптированных к конкретному этапу проектирования. Это требует построения и применения агрегированных ММ и соответствующих алгоритмов.

Таким образом, сквозной процесс оптимизации тепловых характеристик при проектировании МЭУ, направленный на снижение уровня тепловых воздействий, разбивается на ряд взаимосвязанных этапов, каждый из которых характеризуется своими критериями, варьируемыми параметрами, ограничениями, детальностью анализа температурных полей. Для эффективной организации такого последовательного многошагового процесса целесообразно воспользоваться положениями и подходами, характерными для метода динамического программирования /125,126/. При этом для каждого этапа и процедуры ТП по функциональному назначению, заданным требованиям к тепловым режимам и стабильности электрических параметров и характеристик проектируемого МЭУ выбираются конкретные тепловые критерии оптимальности (локальный перегрев наиболее критичной области тк.i, средний перегрев компонентов или топологических элементов ср, неравномерность перегрева по подложке или плате , температурный градиент в заданных областях или точках grad и т.д.), используемые в процессе решения последовательности частных задач Fтi[ тк(x,y,z)] min для достижения общей цели - снижения тепловых воздействий и повышения надежности.

Реализация перечисленных подходов при построении средств ТП, включаемых в состав САПР, позволяет исключить итерационный процесс перепроектирования при неудовлетворительной оценке ТР, получаемой на

последующем этапе анализа, и сократить временные затраты. Соответственно вышеизложенному перечень традиционно решаемых задач ТП требует уточнения и существенного расширения.

На основе рассмотренных выше положений, анализа существующих комплексов моделирования и обеспечения ТР, применяемого МО, а также требований, предъявляемых к ним в рамках современных САПР, с учетом приведенных выше особенностей МЭУ выявлены основные направления повышения эффективности автоматизированного ТП и предложен комплекс методов совершенствования подобных средств /53,86,88,89,90,9194/:

повышение точности моделирования температурных полей путем учета точной геометрии ИТ в активных компонентах (БТ, ПТ) и реального распределения плотности теплового потока в них, а также режимов работы этих компонентов (статических, динамических, частотных);

учет тепловых режимов на этапе схемотехнического проектирования (используя то, что конструкции МЭУ выполняются с применением ограниченного набора типовых конструктивных решений), который включает несколько способов: определение собственных перегревов схемных компонентов; приближенное определение наведенных перегревов и оценка возможности реализации данной схемы в конкретных конструктивах; построение термоэлектрических моделей активных компонентов; оценка термической устойчивости АК в различных режимах работы, определение соответствующих ограничений по тепловым критериям;

разработка средств, обеспечивающих надежностную ориентацию САПР МЭУ, их использование для формирования требований к ТР МЭУ на базе анализа температурных зависимостей показателей надежности рассмотрения всех компонентов ненадежности и выбора наиболее термокритичных, т.е. необходимо учитывать пространственное распределение температуры

при расчете интенсивностей отказов (требование к ТР: FT[ (x,y,z)] min

ние требований к надежности всего устройства); создание комплексной тепловой модели МЭУ и

соответствующего комплекса ММ, охватывающих все конструктивные иерархические уровни и позволяющих проводить автоматизированную адаптацию к конкретным конструкциям, а также обеспечивающих построение и использование универсальных алгоритмов моделирования температурных полей на всех этапах ТП МЭУ;

разработка методов конструктивно-теплового синтеза, направленных на получение конструкций МЭУ с заданными или оптимальными тепловыми характеристиками путем учета температурных воздействий на этапах функционального и конструкторского проектирования (выбор способа охлаждения; параметрический синтез системы охлаждения; отработка топологии по тепловым критериям);

разработка методов выбора с учетом функционального назначения устройства, формирования и расчета тепловых критериев, используемых при топологическом проектировании (размещение), которые обеспечивают решение задач большой размерности и малые временные затраты;

учет статистических характеристик теплофизических и электрических характеристик, влияющих на ТР и обусловленных технологическими разбросами параметров компонентов, конструкций, материалов, случайными отклонениями режимных параметров и внешних воздействий.

Таким образом, одно из основных направлений совершенствования САПР МЭУ с учетом требований и подходов, выдвигаемых в рамках современных проектных методологий, связано с решением проблемы повы-

шения эффективности средств и методов обеспечения надежности создаваемых устройств на основе сквозного ТП, включающего последовательное совместное проведение конструктивно-теплового синтеза и оптимизации тепловых характеристик на этапах разработки, относящихся к функциональному и конструкторскому аспектам.

2. СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОДСИСТЕМЫ СКВОЗНОГО ТЕПЛОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ В САПР МЭУ

Для построения подсистемы параллельного ТП в САПР МЭУ и организации ее работы необходимо прежде всего разработать ее структуру, связанную с наличием определенного множества проектных процедур и их взаимной связи, с перечнем выполняемых функций и особенностей ОП.

Основной целью процесса оптимального ТП является решение проблемы оптимизации тепловых характеристик разрабатываемых МЭУ. Это требует применения множества согласованных тепловых критериев при выполнении многоэтапного процесса оптимизации тепловых характеристик, соответствующих методов их выбора и расчета.

Для организации такого процесса необходимо осуществить интеграцию комплекса средств моделирования и оптимиза-

ции тепловых характеристик в рамках САПР МЭУ при реализации концепции параллельного проектирования.

2.1. Основные принципы организации и процедуры процесса сквозного теплового проектирования в надежностно-ориентированной САПР МЭУ

2.1.1. Принципы организации процесса сквозного теплового проектирования МЭУ

Синтез структуры подсистемы ТП включает в себя выбор состава необходимых проектных процедур, предназначенных для решения всего комплекса сформулированных в п.1.1 задач, взаимосвязей между ними, определение особенностей их программной реализации на базе требований, выдвигаемых ориентацией на поддержку концепции параллельного проектирования, надежностно-ориентированного подхода, интеграции средств САПР, обеспечения сквозного цикла проектных работ /2,4,7,9,12,18,20,50,54-56,73/, а также с учетом основных принципов создания САПР /3,4/ (комплексность, открытость, модульность, иерархичность, выделение управляющей и обрабатывающей частей и т.д.).

Структура прикладного ПО САПР МЭУ, содержащего подсистему ТП, показана на рис. 2.1 и представляет собой набор взаимодействующих программно-методических комплексов (ПМК), выполняющих соответствующие проектные процедуры.

Маршрут проектирования МЭУ составляется из согласованных между собой программ различных комплексов, обеспечивающих выполнение требуемых проектных процедур и проведение работ, относящихся ко всем эта-