книги / Моделирование и автоматизация проектирования силовых полупроводниковых приборов

мальиая, математическая часть этой процедуры — математическое обеспечение ППП — была рассмотрена в § 10.3, поэтому рассмот­ рим здесь только особенности построения ПО ППП ОБЛАСТЬ.

Программное обеспечение ППП ОБЛАСТЬ подразделяется на общесистемное и прикладное. В состав общесистемного ПО входят операционная система ОС 6.1, компонент СПРИНТ — ДИАЛОГ технологического комплекса СПРИНТ, алгоритмические языки ФОРТРАН и PL/I. В состав прикладного ПО входят мониторы па­ кетного и диалогового режима, тело ППП, включающее програм­ мные модули расчета параметров СПП, графического вывода сече­ ний на графопостроитель, печати результатов расчета на АЦПУ, вычисления значений электрических характеристик СПП по задан­ ным значениям конструктивных и технологических параметров, ра­ боты с архивом проектных решений.

Особенностью ПО ППП ОБЛАСТЬ является то, что диалого­ вый монитор реализован в системе СПРИНТ [9.7]. Язык диало­ га — типа «меню», ввод-вывод числовой и текстовой информации на экран дисплея — покадровый с использованием защищенных и модифицируемых полей экрана дисплея. Управление ходом работы осуществляется посредством функциональной клавиатуры дисплея.

Для экономии оперативной памяти ЭВМ в ППП ОБЛАСТЬ при­ менена двойная |{вложенная) динамическая загрузка программных модулей, согласно которой по соответствующим именам предвари­ тельно загружается программный модуль, реализующий какой-ли­ бо метод расчета (сканирование или анализ допусков или др.), а затем загружается модуль, реализующий вычисление характери-

стик СПП. В ППП ОБЛАСТЬ предусмотрена также возможность расчета на произвольной модели, предварительно оформленной в виде загрузочного модуля. Структура ПО ППП ОБЛАСТЬ изо­ бражена на рис. 11.9.

ДОПУСК выполняет функции оптимизации допусков на внут­ ренние параметры СПП по комплексному критерию, учитываю­ щему расход исходного дорогостоящего кремниевого материала, технологичность проектного решения, технические показатели ка­ чества прибора (электрические характеристики).

Формализованное представление данного векторного критерия качества было представлено в § 10.3.

Особой отличительной чертой ППП ДОПУСК является то, что он представляет собой загрузочный модуль, вызываемый монито­ ром подсистемы ДИСПОР. Поскольку для оптимизации допусков используются процедуры векторной и скалярной оптимизации, реа­ лизованные в ДИСПОР, главным функциональным назначением монитора ППП ДОПУСК является генерация программы расчета критериев и ограничений. Для выполнения указанных функций и обеспечения программного интерфейса с ППП МОДЕЛЬ и АВТОГЕН ДОПУСК также выполнен в системе ПРИЗ. Структура ПО ДОПУСК изображена на рис. 11.10. Информационно-логиче­ ская схема процедуры оптимизации допусков в случае одного кри­ терия соответствует схеме пакета ДОКА (см. рис. 11.4), а в случае векторного критерия — схеме пакета МОДУС (см. рис. 11.5).

ПРОГНОЗ выполняет функции прогнозирования процента вы­ хода годных СПП в условиях их серийного изготовления в целях получения полной картины о характере функционирования техни­ ческой системы изготовления СПП.

Рис. 11.10. Структура ПО ППП ДОПУСК

252

Рис. 11.11. Структура ПО ППП ПРОГНОЗ

Для статистического анализа проектных решений в ППП

ПРОГНОЗ используется метод статистических испытаний (МонтеКарло). После накопления статистических сумм их обработка осу­ ществляется двумя способами. Согласно первому из них рассчиты­ ваются проценты выхода годных СПП по двумерным классифика­ ционным группам. Эти группы определяются сочетанием граничных значений I T A V и LJDR M и з стандартного ряда типономиналов и классов приборов. Другими видами обработки являются вычисле­ ние статистических характеристик, проверка гипотез на нормаль­ ность, расчет гистограмм распределений для каждого исследуемого параметра.

Структура ПО ППП ПРОГНОЗ изображена на рис. 11.11, она включает монитор, тело и базу пакета. ППП ПРОГНОЗ работает только в пакетном режиме.

С применением средств подсистемы АНОД был решен ряд прак­ тических задач проектирования новых модификаций СПП: быстро­ действующих тиристоров единой унифицированной серии (ЕУС), комбинированно-выключаемого тиристора, низкочастотных тири­ сторов, оптронных низкочастотных тиристоров и др. Каждая кон­ кретная практическая задача имеет свои особенности в зависимо­ сти от целей и условий разработки СПП. В формализованном виде специфика задач учитывается посредством выбора проектировщи­ ком состава критериев, задания численных значений функциональ­ ных ограничений и фиксированных параметров, стратегий управ­ ления ходом работы с ППП. Среди множества расчетных задач можно выделить ряд типовых, наиболее часто встречающихся при разработке СПП, например задача поиска множества предельных сочетаний электрических характеристик для определенного типа СПП при заданном уровне технологии, задача поиска значения па­ раметра соответствующего значению типономинала прибора ■Гглутт и используемого при разбраковке СПП в условиях серий­ ного производства, задача определения зависимостей предельных

253

значений электрических характеристик от разбросов технологиче­ ских и конструктивных параметров, задача унификации проектных решений по СПП с близкими типономиналами, задача разбраковки структур по удельному сопротивлению в различные группы для дальнейшей технологической обработки и т. д.

Рассмотрим подробнее задачу сквозного автоматизированного технологического проектирования силового быстродействующего ти­ ристора ТБ253-800 в таблеточном исполнении [10.16]. Проектиро­ вание ТБ-253-800 осуществлялось в рамках работ по созданию высокочастотных СПП ЕУС.

Исходными данными для расчета тиристора ТБ253-800 являют­ ся технические требования на его разработку, а также данные о возможностях технологии и конструкций, применяемых в ПО «ТЗЗ имени М. И. Калинина» (Таллин) при изготовлении быстродейст­ вующих тиристоров.

Технические требования на ТБ253-800 включают следующие ог­ раничения на электрические классификационные параметры:

Остальные параметры СПП имеют следующие значения: D = =5,6 см; Х;Од=0,003 см; Sc/r=2,55 см2; SSHK= 0,235; lF= 0,25 см; Я<л=0,025 °С/Вт; Л ^ = 1 ,5 -1 0 16 см“ 3; х^ = 0,0065 см; =0,0015 см; Tnp= 2 - 10_6 см.

На первом этапе проектирования ТБ253-800 при помощи ППП

ОБЛАСТЬ проводится анализ реализуемости ТТ (11.2). С этой целью рассчитывается и выводится на графопостроитель область допустимых значений (ОДЗ) параметров (рис. 11.12). Допустимые значения W и трп лежат ниже линий уровня / т-а к = 8 0 0 А (кри­ вая 1) и UTM= 1,6 В (кривая 2), выше линий уровня UDRM= 1200 В (кривые 3—5) и JDRM= 70 мА (кривые 6—8), левее линии уровня *(,=63 мкс (кривая 9). Анализ конфигурации ОДЗ показывает, что предъявляемые к ТБ253-800 технические требования реализуемы, т. е. размеры этой области позволяют разместить внутри нее прямо­ угольник, стороны которого численно равны разбросам параметров W и тРп. При этом видно, что линии уровня U TM и I T A V лежат близко друг к другу, что указывает на соответствие ограничения по UTM типономиналу СПП.

Специфическим требованием к разработке данного СПП явля­ ется обеспечение повышенных значений тока таким образом, чтобы часть СПП при серийном изготовлении классифицировалась типономиналом в 1000 А. Помимо того, технические требования на ТБ253-800 предусматривают достижение повторяющихся напряже-

254

ний до 1400 В включительно. В целях проверки возможностей реа­ лизации этих требований были рассчитаны линии уровня I T A V = = 1000 А (кривая 10) и £/о/ш=1400 В (кривая 11). Эти кривые пересекают ОДЗ, поэтому при соответствующем выборе допусков на параметры трп, W, р0 следует ожидать появления СПП с повы­ шенными типономиналами и классами. Приближенное проектное решение изображено на рис. 11.12 (параллелепипед Д о ) , оно явля­ ется исходным для проведения последующих этапов расчета.

Ввершинах параллелепипеда Д о , образованного допусками на параметры т/S W, ро, рассчитываются значения электрических ха­ рактеристик, которые позволяют оценить ожидаемый разброс элек­ трических параметров (табл. 11.1).

Всоответствии с процедурой технологического проектирования СПП на следующем этапе решается задача нахождения в ОДЗ оптимального в некотором заданном смысле проектного решения.

Сформулируем одну из возможных постановок задачи оптими­ зации параметров тиристора ТБ253-800: в ОДЗ проектных пара­

метров, заданной системой неравенств (11.2) и Дро^Дро7"1” , найти

Т а б л и ц а 11.1. Расчет разбросов электрических параметров тиристора ТБ253-800

255

точку Х*={%pn*t W*, ро*, Дро*}» в которой

ТБ253-800 (11.2) требуется не только максимизировать предель­ ный ток ITAV и повторяющееся напряжение UDRM, но и одновре­ менно минимизировать затраты дорогостоящего кремния, что рав­ носильно минимизации толщины кремниевой пластины, поскольку ее диаметр фиксирован, т. е. M{X)=CW. Кроме того, стремление максимизировать четвертый критерий Т(Х) связано с желанием получить оптимальное решение с максимально возможным разбро­ сом по р0: Т(А) =Д р0/Дрош,?1, где Др0т 'п—минимальное паспортное значение разброса удельного сопротивления данной марки крем­ ния. Допуски на параметры тРп и W считаются заданными и по­ стоянными.

В соответствии с процедурой, реализованной в ППП ДОПУСК, для решения сформулированной задачи необходимо сгенерировать соответствующую программу расчета критериев и ограничений и загрузить ее в базу подсистемы ДИСПОР. Как известно, в ДИСПОР решение многокритериальных задач оптимизации осу­ ществляется при помощи ППП МОДУС.

На входных языках ППП ДОПУСК и ППП МОДЕЛЬ сформу­ лируем описанную выше задачу оптимизации тиристора ТБ253-800 и сгенерируем средствами системы ПРИЗ программу ее решения DOPUS.

Текст программы DOPUS имеет следующий вид:

ПРОГРАМ М А’ DOPUS:

ПУСТЬ’ X : М НОЖ ’ (1 . . . 4) : ВЕЩ ’ ;

ПУСТЬ’ М : М ОДЕЛЬ Д 1А =5.6, XJGA=0.003, SGEA=2.55, S S H K = 0.235, LF=0.25, RTH=0.025,

NSAL=1.5E10, XJAL=0,0065, XJP=0,0015,

T N P = 2 .0 E — 6,

ПО’ ДОПУСК;

ПУСТЬ’ Д : ДОПУСК К О Л Х =4, К О Л С = 5, X H O M .(l)=M .T R N , ХНОМ. (2) =M .W , ХНОМ. (3) =M .R 0,

УНОМ. (1) =M .ITAV . УНОМ. (2) = М .и Д Р М ,

2 5 6

Т а б л и ц а 11.2. Прогнозируемый номенклатурный выход ( в процентах) тиристоров ТБ253-800

автоматизированного технологического проектирования тиристора ТБ253-800 — статистический анализ как оптимального проектного решения, так и приближенного.

В соответствии с накопленным ранее статистическим материа­ лом приняты следующие законы распределения параметров р0, WT хРп: для W и хрп— равномерный, для р0 — нормальный. Объем выборки соответствует партии из 300 СПП. Рассчитывались табли­ ца двумерных распределений СПП по типономиналам и классам, а также одномерные распределения по токам и напряжениям. Ре­ зультаты статистического расчета электрических характеристик при оптимальном проектном решении и при приближенном сравнива-. лись между собой в целях выявления эффекта, полученного от оп­ тимизации.

Из табл. 11.2 видно, что незначительное (на первый взгляд) смещение оптимальных значений проектируемых параметров отно­ сительно первоначальных, выбранных по рис. 11.12, привело к су­ щественному увеличению процента выхода СПП с типономиналом в 1000 А. Объяснение этому можно найти из сравнения гистограмм распределения тока до и после решения задачи оптимизации (см. рис. 11.13), откуда видно, что после оптимизации среднее значение тока изменилось незначительно, но максимум распределения смес­ тился на границу 1000 А, что и привело к существенному измене­ нию процента выхода.

Таким образом, благодаря применению ППП ОБЛАСТЬ, ДОПУСК, ПРОГНОЗ при проектировании быстродействующего ти­ ристора ТБ253-800 были достигнуты высокие технико-экономиче­ ские показатели разрабатываемого СПП при существующих усло­ виях изготовления тиристоров в ПО «ТЭЗ имени М. И. Калинина». Результаты изготовления опытных партий быстродействующих ти­ ристоров типа ТБ253-800 подтвердили обоснованность найденного оптимального проектного решения.

11.3. ПОДСИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАНИ

Подсистема автоматизации научных исследований ПАНИ яв­ ляется одной из объектно-независимых (инвариантных) подсистем АСКЭТ-П и ориентирована на автоматизацию решения определен-.

259

ного класса математических задач, возникающих в процессе иссле­ дования и построения моделей объектов проектирования. Этот класс задач, решаемых при математическом моделировании объ­ ектов проектирования, включает идентификацию параметров тео­ ретических моделей, локальную аппроксимацию сложных в вычис­ лительном отношении моделей более простыми, построение эмпи­ рических моделей, планирование эксперимента, статистическое моделирование и обработку экспериментальных данных. Автомати­ зация решения задач существенным образом повышает эффектив­ ность САПР, поскольку ее модельная база знаний благодаря вы­ сокой мобильности и адаптируемости к изменяющемуся потоку проектных задач приводится в динамическое соответствие совре­ менному уровню развития предметной области.

В основу ПО ПАНИ положены специально разработанные про­ цедуры и методики автоматизированного построения математиче­ ских моделей СПП, регламентирующие роль и место формализо­ ванных математических методов и неформализованных приемов, разделение функций между ЭВМ и разработчиком моделей, соот­ ношение пакетного и диалогового режимов решения тех или иных задач. Формализованное описание процесса построения математи­ ческих моделей объектов проектирования с помощью аппарата вы­ числительных моделей является необходимой предпосылкой авто­ матизации этого процесса.

При создании ПО учитывается необходимость разработки ПАНИ как многофункциональной и многоаспектной системы, ко­ торая может выполнять следующие роли:

подсистема САПР СПП;

система автоматизированного построения математических моде­ лей объектов проектирования (не только в области СПП, но и в других предметных областях);

подсистема верхнего уровня АСНИ СПП (подсистема обработ­ ки);

метасистема для генерации специализированных ППП обработ­ ки экспериментальных данных и построения математических мо­ дулей.

Кроме того, предусматривается автономное использование вхо­ дящих в ПАНИ ППП для решения задач математико-статистиче­ ской обработки данных, аппроксимации, организации массивов экс­ периментальных данных на дисках и др.

Одним из принципов разработки ПО системы ПАНИ является ориентированность создаваемых средств на конкретные группы пользователей различной квалификации, что вызывает необходи­ мость создания сервисных средств высокого уровня (в том числе средств графического вывода), проблемно-ориентированных вход­ ных языков общения пользователей с ЭВМ, генерации специализи­ рованных ППП для решения конкретных классов задач из имею­ щегося набора универсальных программных средств. В соответст­ вии с различными группами пользователей выделяются различные

260