KONSPEKT_LEKTsIJ_EiEKUiS

Тема 1.2 Особенности автоматизированного проектирования ЭРЭ и УФЭ

Основные этапы проектирования изделий электронной техники

По степени однородности задач и методов их решения в процессе автоматизированного проектирования ИЭТ выделяют четыре основных этапа.

1.Системотехническое проектирование, при котором выбираются и формулируются цели проектирования, формируется структура будущего изделия, определяется его состав, основные технико-экономические характеристики.

2.Схемотехническое (функциональное) проектирование, в ходе которого выбирается функционально-логическая база, разрабатываются принципиальные логические схемы ИЭТ в целом и его составных частей, оптимизируются параметры ИЭТ

3.Техническое (конструкторское) проектирование, решает задачи синтеза конструкции изделия (ИЭТ, элемента, компонента, дискретного прибора, ИС, БИС, СБИС, УФЭ и т.д.), в целом определяет компоновку и размещение элементов, компонентов и т.д. в изделии, разрабатывает схему электрических соединений изделия в целом, т.е. на всех уровнях (дискретных приборов, микросхем, ячеек, микроблоков и т.д.). В ходе технического проектирования проводится анализ тепловых режимов ИЭТ и их электромагнитной совместимости, оформляется внешний вид изделия. Этап технического проектирования заканчивается созданием полного комплекта конструкторской документации на изделие (в виде таблиц, чертежей, сигналограмм на носителях данных (дискетах, дисках и т.д.)).

4.Проектирование технологических процессов предусматривает определение состава технологического оборудования для производства конкретного вида ИЭТ, поиск готовых унифицированных средств технологического оснащения или проектирование специального технологического оборудования, изготовление комплекта технологической документации.

Современные САПР дают возможность комплексно решать задачи всех этапов проектирования ИЭТ, начиная с анализа технического задания и кончая выпуском необходимой конструкторской и технологической документации (Корячко В.П., Курейчик В.М., Ножиков И.П. Технические основы САПР, М. 1987, Грувер М., Зиммерс Э., САПР и автоматизация производства. пер. с англ. М. 1987).

Радиоэлектронная аппаратура (РЭА), компонентами которой являются интегральные схемы (ИС), обычно называется микроэлектронной. Проектирование ИС является сложным и многосторонним процессом, тесно связанным с более общим процессом проектирования аппаратуры. Не вдаваясь в подробности проектирования РЭА и ИС, отметим характерные черты взаимосвязи этих двух процессов. Рассмотрим упрощѐнную схему проектирования микроэлектронной аппаратуры, приведенную на рис. 1.1

[1.1].

11

Весь процесс проектирования условно разбит на 10 укрупненных этапов: 1 — составление технического задания ТЗ на проектируемую аппаратуру и его согласование с заказчиком; 2 — синтез функциональной схемы аппаратуры; 3 — выбор физических методов реализации функциональных преобразований; 4 — выбор оптимальной сложности ИС и других компонентов аппаратуры; 5 — синтез электрических схем ИС и узлов РЭА, а также схем электрических соединений компонентов РЭА между собой; 6 — конструктивная разработка ИС и других типов узлов РЭА; 7 — технологическая разработка ИС и узлов РЭА; 8 — конструктивная разработка аппаратуры; 9 — технологическая разработка аппаратуры; 10 — разработка методики испытаний ИС и РЭА в целом. Условным значком над каждым этапом отмечен профиль специалистов, играющих ведущую роль в его разработке: Ф — группа специалистов по кибернетическому и функциональному моделированию и синтезу аппаратуры; К-Т — группа конструкторов и технологов РЭА; М. Э. — группа специалистов по микроэлектронике. Значком 0 отмечены этапы, выполняемые совместно всеми тремя группами специалистов.

Взаимосвязь процессов проектирования РЭА и ИС наиболее наглядно видна на начальных этапах схем (рис. 1.1). Так, например, функциональная схема разрабатываемой микроэлектронной аппаратуры одновременно отражает и комплекс функциональных преобразований сигналов проектируемых ИС. В результате ряда последовательных операций эту схему часто делают предельно мелкомасштабной, т. е. синтезируют ее из так называемых элементарных функциональных компонентов (элементов), обозначаемых в тексте (ЭФК [1.2—1.4]. Под ЭФК будем понимать простейшие законченные функциональные преобразования сигнала, разделение которых на составные части, как правило, невозможно. В качестве примеров логических ЭФК можно привести известные преобразования типа И, ИЛИ, НЕ и т. п., а в качестве примеров аналоговых ЭФК. — преобразования типа «модуляция», «фильтрация», «ограничение», «генерирование» и т.п.

Требования к общему техническому заданию

В последующем на основании общей функциональной схемы микроэлектронной аппаратуры разрабатываются функциональные схемы ИС. Одновременно решается вопрос о том, какие ИС из общего комплекса можно выбрать в качестве типовых*, а какие ИС частного применения**. На ИС частного применения разрабатываются специальные технические задания. При этом учитываются особенности интегральных микросхем, требования технического задания и экономические факторы производства.

12

Рис. 1.1. Упрощѐнная схема проектирования микроэлектронной аппаратуры

Предварительно выбираются: а) физические принципы и типы электрических схем, реализующих комплекс ЭФК (аналоговые, дискретные, смешанные и т.п.); б) класс и принципы конструирования ИС и т. п.; в) основные исходные материалы (кремний, германий, арсенид галлия, сапфир, феррит, ситалл, стекло и т. п.); г) основные технологические методы и операции изготовления ИС (эпитаксия, диффузия, напыление в вакууме, электрохимическое осаждение, элионная обработка и т.п.). При составлении технического задания стремятся унифицировать конструкции и технологические процессы и ограничить перечень исходных материалов.

После разработки Т3 производится предварительный выбор оптимальной сложности ИС. Чем проще ИС, тем меньше процент технологического брака при ее изготовлении, а следовательно, и меньше ее стоимость. Однако при этом, как правило, возрастает общее число ИС в аппаратуре и, как следствие — общее число межсхемных соединений и контактов в ней, что в свою очередь приводит к снижению надежности изделия и увеличению трудоемкости сборочных работ. Решение об оптимальном количестве ЭФК схемных элементов или других компонентов, реализованных на подложке ИС, принимается на основе компромиссов [1.5— 1.8]. При этом необходимо учитывать технологические ограничения и экономические факторы.

_____________

* Типовые ИС — стандартные интегральные схемы, изготовляемые массовыми партиями на специализированных заводах.

13

** ИС частного применения — нестандартные интегральные схемы узкого применения, проектируемые и изготовляемые специально для данного класса аппаратуры.

14

Более подробно вопросы проектирования микроэлектронной аппаратуры рассмотрены в [1.1, 1.9 — 1.12].

Процесс конструирования ИС начинается задолго до того как конструктор за кульманом приступает к разработке ее топологии. Важнейшие решения по синтезу конструкции ИС принимаются на этапах ее функционального и электрического моделирования.

В процессе конструирования ИС, помимо общего технического задания, которым руководствуются почти на всех этапах этого процесса, полезно выделять и формулировать ч а с т н ы е т е х н и ч е с к и е з а д а н и я (ЧТЗ), предназначенные для выполнения отдельных этапов. Частные Технические задания могут составляться на синтез и оптимизацию наиболее важных моделей ИС, главных технологических операций ее изготовления, основных испытаний ИС и т. п. Роль и значение таких заданий возрастают по мере усложнения ИС и процесса их проектирования и вовлечения в этот процесс все более широкого круга специалистов разного профиля*. Наиболее важной частью технического задания является определение функциональной задачи ИС, вытекающей из назначения системы, называемой иногда кибернетической частью ТЗ. Правильному формированию этой части технического задания на конструирование ИС придается первостепенное значение. ЧТЗ должно удовлетворять следующим основным требованиям:

1)задание должно быть четким и лаконичным, чтобы конструктор мог, как говорится, «одним взглядом» охватить суть решаемой задачи;

2)задание должно быть построено по схеме, которая сама по себе непосредственно помогала бы проводить структурный синтез последующих моделей ИС;

3)форма составления задания должна быть относительно универсальной и в равной степени применимой к широкому классу проектируемых ИС.

В свете вышеизложенных требований кибернетическую часть ЧТЗ на ИС удобно формулировать в виде требований к схеме, отразив в них:

— число входов ИС, входные параметры и характеристики;

— число выходов ИС, выходные параметры и характеристики;

— алгоритм преобразования сигналов в ИС.

При этом под входными и выходными сигналами понимают как р а б о ч и е сигналы, так и в о з м у щ е н и я паразитного характера.

В рамках алгоритма преобразования входных сигналов в выходные последовательно выделяются и формулируются автономные задачи в порядке их важности: а) основные задачи алгоритма; б) вспомогательные задачи алгоритма; в) дополнительные задачи алгоритма работы ИС. Основные задачи отражают сущность обработки полезных информационных сообщений, ради выполнения которой, собственно говоря, и проектируется ИС. Вспомогательные задачи обычно отражают те дополнительные преобразования сигналов, которые необходимы для повышения качества

* Сложность некоторых современных ИС оценивается в несколько тысяч схемных элементов (так называемые большие ИС и БИС).

Дополнительные задачи алгоритма выявляются в процессе проектирования ИС. По своему характеру это вспомогательные задачи, сформулированные в результате корректировки технического задания. Указанная корректировка может затрагивать не только алгоритм преобразования сигналов, но и входные и выходные параметры ИС Задачи алгоритма преобразования сигналов отражают свод задаваемых

правил и требований к функционированию ИС. Они могут формулироваться текстуально, с помощью системы логических и математических выражений, графически и смешанным образом.

Тема 1.3 Состав элементной базы СМЭ

Функциональная электроника

Как составляющая средств медицинской электроники. ФЭ – одно из направлений твердотельной электроники, охватывающее использования различных физических явлений в твердых средах для интеграции различных схемотехнических функций в объеме одного твердого тела (функциональная интеграция) и создания электронных устройств с такой интеграцией.

В отличие от схемотехнической интеграции функционально простых элементов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и т. п.), которые локализованы в различных листах твердого тела и способны выполнять сложные схемотехнические функции лишь в совокупности, например, в составе ИС, включающей в себя также элементы связи (межсоединения), при функциональной интеграции сложны схемотехнические функции и по комбинации могут реализоваться физическими процессами, протекающими во всем рабочем объеме твердого тела.

Переход от схемотехнической интеграции к функциональной позволит устранить значительную часть принципиальных и технологических трудностей, связанных с необходимостью формировать в одном кристалле множество структурных элементов и межсоединений.

Схемотехническая интеграция – это технологическая интеграция. Функциональная интеграция – это физическая интеграция.

Функциональная интеграция – ориентируется на преимущественное использование волновых процессов и распределенного взаимодействия электромагнитных полей с электронами и атомами в твердых телах.

16

При создании устройств функциональной электроники могут быть использованы различные материалы –полупроводники, магнитодиэлектрики, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, а также многослойные гомо - и гетероструктуры из этих материалов.

Среди разнообразных приборов функциональной электроники наибольшее распространение получили:

–акустоэлектронные приборы;

–приборы на волнах пространственного заряда в твердом теле;

–приборы с зарядовой связью;

–оптоэлектронные устройства с распределенным взаимодействием и т.п. Состав элементной базы. Элементную базу СМЭ составляет

совокупность различных элементов, участвующих в преобразовании сигналов

иинформации, которая в них содержится: пассивные дискретные ЭРЭ и простейшие устройства на их основе, например LC-фильтры; активные дискретные элементы – полупроводниковые и электровакуумные приборы (ЭВП); интегральные микросхемы; устройства функциональной электроники

инекоторые другие.

Данный курс посвящен рассмотрению элементной базы СМЭ. Пассивные элетрорадиоэлементы выполняют в СМЭ различные

операции над сигналами. Они основаны на таких физических процессах как электрический контакт, взаимодействие электрического тока и магнитного поля, напряжения и электрического заряда и др. К ним можно отнести катушки индуктивности, конденсаторы, резисторы, трансформаторы и т. д.

Элементной базой принято также считать устройства, состоящие из отдельных ЭРЭ, например, LC-фильтры, или из электромеханических элементов (соединители, переключатели, реле).

Полупроводниковые и электровакуумные приборы, являясь активными элементами, по физической сущности функционирования принципиально отличаются от пассивных. Их принцип действия основан на сложных физических процессах, они характеризуются специфическими параметрами, конструкцией и технологией.

В настоящее время дискретные активные элементы обычно используются при больших мощностях, на сверхвысоких частотах и в аппаратуре рентгеновской диагностики.

Интегральные микросхемы – пленочные, гибридные и полупроводниковые разной степени интеграции – наиболее широко применяются в СМЭ. В гибридных ИС используются навесные транзисторы и конденсаторы большой емкости и некоторые другие компоненты, а резисторы, конденсаторы малой емкости, соединения и в редких случаях катушки индуктивности формируются нанесением пленок на поверхности подложки.

Обработка сигналов осуществляется продвижением носителей из области одной статической неоднородности в область другой. При этом происходит непрерывное изменение физических величин – носителей информации, таких как ток, потенциал, концентрация носителей и т.д.

17

Статические неоднородности характеризуются следующими особенностями: создаются в ходе необратимых технологических процессов в процессе производства; в основном сохраняют характеристики в течение всего срока эксплуатации; жестко связаны с определенными координатами и не могут перемещаться в объеме прибора.

Статические неоднородности являются основой технологической интеграции, т. е. основой создания и функционирования полупроводниковых дискретных приборов и ИС, включая БИС. Направление микроэлектроники, связанное с технологической интеграцией, иногда называют схемотехническим. Этот термин основан на том, что преобразования, которым подвергаются сигналы, определяются как свойствами статических неоднородностей (р-n переходы, образующие транзисторы, диоды и т. п.), так

итем, каким образом они сформированы в ИС и соединяются между собой, т. е. схемой.

Устройства функциональной электроники приобретают в настоящее время возрастающее значение в элементной базе СМЭ. Функциональная электроника охватывает вопросы получения комбинированных средств с наперед заданными свойствами и создание различных электронных устройств методами физической интеграции, т. е. использование таких физических принципов и явлений, реализация которых позволяет получить компоненты со сложным функциональным назначением в отличие от технологической интеграции, предусматривающей конструирование интегральных микросхем на основе функционально простых элементов типа транзисторов, диодов, резисторов и т. д.

Вфункциональной электронике (ФЭ) использованы новые физические принципы и эффекты, характерной особенностью которых является наличие и использование для обработки и хранении информации динамических неоднородностей в однородном объеме твердого тела. Примером таких динамических неоднородностей могут быть цилиндрические магнитные домены, пакеты зарядов в приборах с зарядовой связью, волны деформации кристаллической решетки в приборах на поверхностных акустических волнах

ит. д.

Динамические неоднородности создаются физическими методами. Их появление, перемещение и исчезновение в объеме твердого тела не связано с процессом изготовления устройства. Особенностями динамических неоднородностей является то, что они создаются физическими средствами в ходе эксплуатации прибора, а не технологическими в процессе производства; могут возникать и исчезать, а также изменять свои характеристики во времени; могут существовать длительное время, и эта длительность определяется функциональными задачами устройства; не связаны жестко с координатами; являются непосредственными носителями информации, которая может быть представлена как в цифровой, так и в аналоговой форме.

18

.

Классификация функциональных преобразований. Информационная радиоэлектронная система создается с целью обработки, хранения и передачи определенных информационных сообщений. Такие сообщения формируются с помощью физического носителя сигнала, отражающего возмущение соответствующей материальной среды. Наиболее распространенным физическим носителем является электрический ток, оптические, акустические и магнитные явления, которые, как правило, в последствии преобразуются в электрический ток. В итоге в работающей ИС протекают два взаимосвязанных процесса: электрическое преобразование сигналов и обработка информационных сообщений (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Взаимосвязь информационных, функциональных и электрических преобразований сигналов.

В подавляющем большинстве случаев оба вышеуказанных процесса связаны между собой сложными зависимостями, которые не всегда можно выразить в явной форме. Для того, чтобы реализовать даже простые алгоритмы обработки информационных сообщений, необходимо предусмотреть в проектируемой ИС десятки, а иногда и сотни преобразований электрического сигнала.

Для упрощения проектирования, процессы обработки информационных сообщений и электрических преобразований сигналов чаще всего связывают через третий (буферный) процесс — функциональное преобразование сигналов. Под функциональным преобразованием будем понимать отображение (переход) одного состояния или кодовой комбинации сигналов в другое состояние или кодовую комбинацию.

Информационные сообщения могут быть сформированы с помощью как аналогового, так и дискретного преобразования (кодирования). При дискретном кодировании одно слово сообщения формируется путем составления определенных комбинаций из многих сигналов,

19

Рис. 1.3. Классификация функциональных преобразований сигнала.

которые имеют ограниченное число состояний*, а их параметры изменяются, как правило, скачкообразно. В связи с таким разделением способов формирования сообщений появилось три вида преобразователей: аналоговые, дискретные (цифровые) и смешанные (рис. 1.З).

При смешанных преобразованиях состояние входных сигналов может изменяться непрерывно (как во времени, так и по уровню), а состояние выходных сигналов — дискретно и наоборот. Возможно совместное преобразование аналоговых и дискретных сигналов. С помощью известной теоремы В.А. Котельникова аналоговые сигналы можно преобразовывать в смешанные или полностью дискретные, почти не искажая их информационного содержания [1.38].

Функциональные преобразования могут быть детерминированными или вероятностными. В первом случае каждому состоянию или кодовой комбинации входных сигналов однозначно соответствует только одно состояние или одна кодовая комбинация выходных сигналов из множества возможных. Во втором случае соответствие между состояниями и кодовыми комбинациями входных и выходных сигналов задается вероятностными законами.

20