Глава 1. Особенности проектирования имс

Процесс проектирования РЭА на ИМС можно разделить на ряд этапов:

1. Разработка ТЗ;

2. Синтез функциональной схемы (ФС);

3. Обоснование выбора физических методов реализации функциональных преобразований;

4. Синтез электрических схем;

5. Разработка конструкции ИМС и технологии их изготовления (подчеркнута специфика ИМС).

Таким образом, второй и третий этапы соответствуют системному проектированию, четвертый этап - схемотехническому проектированию, а пятый этап соответствуют конструкторско-технологическому проектированию.

Синтез ФС сводится, как известно, к разработке алгоритма обработки полезных сигналов. При этом важно помнить, что под входными параметрами необходимо понимать не только рабочие сигналы, несущие полезную информацию, но также паразитные возмущения в виде электромагнитных помех, перепадов напряжений, флуктуаций параметров и т.д.

Синтез ЭС сводится к определению типа и номинальных значений параметров входящих в нее элементов, допустимых отношений параметров и их электрической взаимосвязи с учетом паразитных связей через общую подложку или п/п пластину.

Важно при этом помнить, что не все классические дискретные элементы можно реализовать в интегральном исполнении (индуктивности, трансформаторы и др.). С другой стороны не все элементы ИМС имеют аналоги среди дискретных элементов (например, RC-структуры). Поэтому при моделировании схем важно не упустить такие специфические паразитные параметры п/п диффузионных R и С, которые к тому же еще и зависят от величины смещения и носят распределенный характер. Следовательно, учет этого фактора включением в эквивалентную схему конденсатора с дискретной емкостью является приближенным. Кроме того, интегральные транзисторы и диоды кроме рабочих структур включают в себя также и паразитные транзисторы и диоды. При этом необходимо помнить, что эти паразитные элементы не всегда только ухудшают характеристики, а в некоторых случаях улучшают некоторые параметры. В частности, паразитный транзистор улучшает импульсные параметры рабочего транзистора за счет уменьшения накопленного заряда. В то же время в схемах с непосредственными связями паразитный транзистор ухудшает импульсные параметры рабочего транзистора за счет сдвига характеристик при насыщении.

Поэтому при проектировании ИМС учет паразитных эффектов является наиболее важным и ситуация усложняется тем, что различным технологическим методам изготовления ИМС присущи различные паразитные эффекты и также различная степень влияния их на рабочие характеристики схемы.

Например, эквивалентная схема интегрального транзистора, изолированного p-n переходом имеет вышеуказанный вид. В данном случае пассивный паразитный эффект возникает между коллектором и подложкой в виде распределенной емкости. Активные эффекты обусловлены взаимодействием двух транзисторов четырехслойной структуры (Э-Б-К-Подложка). Более подробно методы учета этих эффектов рассмотрены при проектировании интегральных транзисторов.

Кроме перечисленных особенностей проектирования ИМС важно отметить необходимость учета достаточно больших разбросов параметров элементов в силу чего использование классических методов анализа зависимости выходных параметров от первичных, основанных на оценке предельных ошибок, не учитывающих их вероятностный характер и сильные корреляционные связи параметров элементов, весьма ограниченно. В силу этого, как правило, используются методы статистического анализа ИМС. При этом ИМС считается работоспособной, если ее выходные параметры не выходят за пределы заданных границ, то есть должны удовлетворяться условия:

;

(1.1)

где x_i и y_i - соответственно параметры элементов ИМС (1.1) и выходные параметры ИМС, являющихся в общем случае случайными величинами; a_i - границы работоспособности, являющиеся неслучайными величинами.

Таким образом, статистический расчет ИМС приводит к определению того, что вектор , заданный x_i параметрами, не должен выходить за пределы области работоспособности Q, ограниченной системой уравнений (1.1) или, иными словами, вероятность того, что ни одна из функций в (1.1) не будет нарушена, то есть:

;

(1.2)

где  - многомерная функция распределения вероятностей y_i.

Если принять гипотезу о нормальности закона распределения параметров элементов, то есть известны средние значения и среднеквадратические отклонения , то согласно методу моментов:

;	(1.3)
;	(1.4)

где , – математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение случайных величин y_k;

– коэффициенты корреляции между x_i и x_j;

– коэффициенты чувствительности выходных параметров y_k от x_i, вычисленных при , то есть при номинальных значениях.

При этих условиях вероятность выхода годных, то есть вероятность нахождения выходных параметров в области работоспособности можно определить:

;

(1.5)

где Ф - интеграл вероятностей.

Заметим, что метод моментов основан на линеаризации искомой функции и, в силу этого, справедлив лишь при малых значениях x_i и, соответственно, y_i и, кроме того, постулировался нормальный закон распределения y_k.

В тех случаях, когда закон распределения отличен от нормального и нельзя пренебречь нелинейностью функции, нелинейность можно учесть путем замены их функциями z_k=|y_k|^vk, то есть по сути используется полиномиальное разложение искомой нелинейной функции n-го порядка и в разложении сохраняются не только линейные члены, а также взаимодействия и квадратичные эффекты. В этом случае вероятность появления брака можно оценить по соотношению:

;

(1.6)

где _k - процент брака вычислений, по k-му параметру; _k - функции коэффициентов корреляции r_ij между выходными параметрами.

В большинстве практических случаев погрешность от использования приближенных соотношений не более 15%.

Численные методы, основанные на методе статистического моделирования Монте-Карло, позволяют вести расчет в условиях произвольных законов распределения параметров x_i и неограниченного их разброса, а также при нелинейных функциях работоспособности.

Основной недостаток метода - большая трудоемкость. Для уменьшения трудоемкости применяются так называемые ускоренные методы, которые базируются на использовании точной математической модели, задаваемой системой уравнений (1.1) и приближенной модели, получаемой путем линейной аппроксимации исходной модели. При этом точная модель служит для определения крайних значений выходных параметров y_k, а приближенная модель - для определения y_k, попадающих в средний интервал распределения. Так как расчет по линейной модели требует значительно меньших затрат времени, суммарные временные затраты существенно уменьшаются. Следует отметить, что методы расчета электрических параметров элементов в ИМС существенно отличаются от принципов расчета параметров дискретных элементов. Это является следствием того, что все элементы ИМС выполняются на одном основании и на основе групповых методов обработки. Кроме того, при проектировании ИМС необходимо учесть следующие ограничения:

1. Диапазоны номинальных значений параметров пассивных элементов ограничены;

2. Практически не реализуемы элементы с малыми допусками;

3. Значительно ухудшаются частотные свойства схем за счет влияния паразитных взаимодействий;

4. Отсутствует возможность отбраковки элементов ИМС и введение элементов с переменными параметрами, то есть подстроечных, регулировочных;

5. Наличие сильных корреляционных связей между параметрами элементов;

6. Взаимосвязанность всех этапов проектирования ИМС.

Отметим при этом, что почти все этапы расчета ИМС связаны с решением сложных математических задач, относящихся в частности к выбору оптимальной топологии, анализу вариантов, пригодных для интегрального исполнения, построению диффузионных примесных профилей и так далее.

Очевидно, что все этапы создания ИМС должны быть подчинены задаче обеспечения максимальной надежности при наличии ограниченных материальных ресурсов и времени конструирования.

Одновременное удовлетворение этим противоречивым требованиям является сложной комплексной задачей, которая не имеет однозначного решения. Поэтому ее принято расчленять на ряд более простых задач, то есть обеспечивать, например, требуемую надежность поочередно на всех этапах создания ИМС. Возможность и целесообразность разделения сложного цикла разработки ИМС на ряд более простых этапов определяется существующей технической базой и претерпевает изменения вместе с ее развитием. Один из важнейших принципов, лежащих в основе расчета ИМС, заключается в том, что общее число технологических операций, необходимых для создания активных и пассивных элементов, должно быть сокращено, а точность проведения каждой операции повышена.

Итак, инженерный расчет ИМС включает в себя такие важнейшие этапы:

0. статистический расчет компонентов ИМС для определения параметров активных и пассивных элементов, напряжений питания, потребляемой мощности, помехоустойчивости и так далее;

1. анализ динамических характеристик элементов ИМС;

2. статистический расчет характеристик ИМС с учетом технологического разброса параметров компонентов, разработка требований к параметрам ИМС;

3. расчет геометрии элементов и формирование требований к технологическому процессу;

4. расчет оптимальной топологической карты размещения элементов;

5. выбор и обоснование системы защиты ИМС - корпусирование, заливка и так далее.

Видно, что первые два этапа полностью соответствуют задачам, решаемым при схемотехническом проектировании. Все остальные этапы непосредственно касаются задач, решаемых конструкторами.