2556

МИНИСТЕРСТВО 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.