3.4.Методы и автоматизация проектирования бис

Применение БИС предусматривает повышение функциональной сложности ИМС при одновременном увеличении степени интеграции, что позволяет разрабатывать аппаратуру с высокими количественными и качественными параметрами и характеристиками. Однако переход к БИС приводит к специализации выполняемых ими функций и в отличие от ИМС первой и второй степени интеграции – к сужению сферы их применения. Поэтому необходимо или значительно расширять номенклатуру выпускаемых БИС, или изготовлять такие БИС, специализация функций которых может быть проведена быстро и экономически выгодно.

Непрерывное повышение степени интеграции БИС, создание СБИС приводит к резкому увеличению затрат времени на их проектирование. При этом существенно возрастает и стоимость проектирования. Поэтому постоянно происходит поиск методов, направленных на повышение производительности труда разработчиков БИС и СБИС.

В настоящее время наибольшее распространение получили три основных метода проектирования БИС: полностью заказное, полузаказное на основе вентильных матриц (базовых матричных кристаллов) и полузаказное на основе стандартных ячеек.

Метод заказного проектирования основан на оптимальном размещении элементов на кристалле или элементов и компонентов на плате, обеспечивающем экономное использование площади кристалла (платы), повышение процента выхода годных изделий и снижение стоимости разрабатываемой БИС. Данный метод применяют при создании полупроводниковых и гибридных БИС, к которым предъявляются высокие требования по технико-эксплуатационным параметрам и надёжностным характеристикам. Он предусматривает полное удовлетворение требований заказчика при создании и изготовлении законченной конструкции БИС.

Метод вентильных матриц основан на использовании полупроводниковых пластин с предварительно сформированными элементами и библиотеки возможных соединений их в различные схемы. По заданию заказчика проектировщик получает конкретную схему БИС определённого функционального назначения.

Метод стандартных ячеек основан на использовании библиотеки топологических решений для предварительного размещения набора ячеек в виде регулярных полос, разделённых свободными зонами для последующего выполнения внутрисхемных соединений. Эти соединения, определяющие функциональные возможности БИС, создаются в соответствии с заданной заказчиком электрической схемой на заключительном этапе проектирования.

Хотя методы полузаказного проектирования ухудшают параметры разрабатываемой БИС по сравнению с заказными, они в значительной степени способствуют стандартизации проектирования кристаллов, на базе которых можно получить БИС различного функционального назначения. Это способствует существенному сокращению сроков проектирования. Методы полузаказного проектирования используют в основном при создании полупроводниковых БИС на биполярных и МДП-транзисторах и их разновидностях. Сокращение сроков и эффективность разработки БИС, в первую очередь полузаказных, повышение производительности труда проектировщиков, снижение трудоёмкости, исключение ошибок требуют автоматизации процесса проектирования.

Автоматизация проектирования БИС предполагает: организацию дешёвого и быстрого машинного проектирования; автоматическое изготовление масок и фотошаблонов; максимальную стандартизацию технологических процессов изготовления структур БИС с целью сокращения расходов на их производство; автоматизацию технологического и выходного контроля.

Следовательно, необходимо введение машинного проектирования в реальном масштабе времени в производственный процесс изготовления БИС, в первую очередь заказных. При создании полузаказных БИС проектирование элементов и изготовление кристалла разделяются во времени с проектированием и изготовлением разводки.

Практически выполнение этих этапов проектирования и изготовления БИС требует автоматизации с применением ЭВМ. При информационно-логическом и схемном проектировании функции, выполняемые ЭВМ, аналогичны тем, которые имеют место при проектировании ИМС второй степени интеграции. В основном они сводятся к синтезу и анализу электрических цепей, моделированию статических и динамических режимов, расчёту конструктивно-технологических параметров структурных элементов и др. Разница заключается только в усложнении и увеличении объёма задач, подлежащих решению с помощью ЭВМ. При этом используются те же методы и приёмы, что и при проектировании ИМС.

При проектировании БИС возникают новые задачи, решение которых возможно только с применением ЭВМ. Это относится прежде всего к конструктивному проектированию, включающему оптимальное размещение базовых и других элементов на подложке, трассировку соединений и создание многослойной оптимальной системы соединений, проектирование фотооригиналов и других топологических чертежей. Новым при этом является также управление производством фотошаблонов и масок.

Основным методом создания БИС является полиэлементный – использование определённого числа базовых элементов для реализации требуемой функции БИС.

Этот метод использует различные способы выполнения соединений между базовыми элементами, наиболее распространенными из которых являются фиксированный и программируемый монтаж. Конструкторское проектирование основано на использовании этих способов. Первый получил наибольшее применение при проектировании гибридных БИС, второй – полупроводниковых БИС.

В настоящее время разработаны автоматизированные системы конструкторского проектирования на базе ЭВМ, с помощью которых осуществляют:

1. оптимальное размещение элементов на подложке с учётом схемотехнических, технологических и конструктивных факторов;

2. многослойную трассировку электрических соединений;

3. корректировку – проверку качества спроектированных соединений;

4. трансляцию полученной информации на координатограф;

5. получение чертежей электромонтажных схем на координатографе;

6. трансляцию информации на фотонаборную установку и управление ею для изготовления фотошаблонов.

Разработанные для этих целей комплекты рабочих программ позволяют успешно решать задачу оперативного проектирования и изготовления различных типов БИС.

В настоящее время отдельные этапы проектирования БИС разработаны с различной степенью автоматизации, а следовательно, не достигается одинаковая эффективность использования ЭВМ на всех этапах проектирования. Это обусловлено как трудностями постановки ряда задач проектирования, так и трудностями, связанными с математическими методами их решения. Тем не менее решение основной задачи при разработке БИС – безошибочного проектирования электрической и особенно топологической схемы – стало возможным благодаря применению систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе ЭВМ.