книги / Модели и методы обеспечения функциональной и технологической воспроизводимости интегральных микросхем
..pdfВ. А. КОВАЛЬ
МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
ВОСПРОИЗВОДИМОСТИ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ
л ь в о в
ИЗДАТЕЛЬСТВО ПРИ ЛЬВОВСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ УНИВЕРСИТЕТЕ ИЗДАТЕЛЬСКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ «ВИЩА ШКОЛА»
1985
УДК 621.396.9(075)
Модели и методы обеспечения функциональной и технологи
ческой |
воспроизводимости интегральных |
микросхем. |
K o |
|
fi а л ь В. А. |
— Л ьвов: Вища ши. Изд.-во |
при Львов, |
ун-те, |
|
1985. — |
200 |
с. |
|
|
В монографии рассматриваются методы моделирования, анализа и принятия конструктивно-технологических решений на ЭВМ, обеспечивающие функционально-технологическую воспроизводимость ИМС. Особое внимание уделено обсуж дению таких вопросов, как анализ конструктивных решений по 'теплоэлектрической совместимости элементов и компонен тов, назначение допусков на параметры схемы и параметры технологического процесса, технологическое проектирование интегральных микросхем. Разработана объединенная физикотехнологическая модель элементов интегральных микросхем.
Нормативные материалы приведены по состоянию на 1 ян варя 1985 г.
Для инженеров и научных работников, специализирую щихся в области автоматизации проектирования и производст ва МЭА, а также для аспирантов и студентов соответствую щего профиля.
Табл. 9. Ил. 37. Библиогр.: 127 назв.
Р е ц е н з е н т проф. А. А. Я и ш и и (Московский институт электронного машиностроения)
|
|
Редакция научно-технической литературы |
|
|
Зав. редакцией М. П. П а р ц е й |
К |
2403000000—029 |
© Издательское объединение |
М 225(04)— 85 |
«Вища школа», 1985 |
|
|
|
П РЕД И С Л О В И Е
В«Основных направлениях экономического и социально
го развития СССР на 1981 — 1985 годы и на период до 1990 года» перед приборостроением поставлена задача повышения техниче ского уровня вычислительной техники, приборов и средств авто матизации на основе новейших достижений микроэлектроники, оп тоэлектропики и лазерной техники.
Развитие всех отраслей радио- и электронного приборостроения характеризуется интенсивным использованием изделий микроэлект роники, основой которых являются интегральные микросхемы (ИМС). Их применение позволяет значительно расширить функ циональные возможности микроэлектронной аппаратуры (МЭА), уменьшить массу, габариты, потребляемую мощность, стоимость, значительно повысить быстродействие, надежность.
Одна из важнейших характеристик качества ИМС — функцио нальная и технологическая воспроизводимость, достаточный уро вень которой позволяет оценить эффективность этапов проектиро вания н технологических процессов производства конкретного из делия. Поэтому обеспечение функциональной и технологической воспроизводимости занимает важное место как в процессе проек тирования, так и технологической подготовки производства, осо бенно в условиях системы автоматизированного проектирования (САПР) МЭА.
Многообразие задач, требующих рассмотрения на различных стадиях схемотехнического, конструкторского и технологического проектирования ИМС, вынуждает разработчиков, конструкторов и технологов принимать ряд частных, чаще всего мало согласован ных и взаимоувязанных, проектных решений, не позволяющих в конечном итоге достичь определенных оптимальных .результатов. Комплексный подход требует, с одной стороны, системного анализа процессов проектирования и технологической подготовки произ водства, с другой, — создания совокупности моделей, охватываю щих микроэлектронные элементы и схемы, топологические реше ния, электромагнитные, теплоэлектрические и механические поля конструкции и, наконец, технологических процессов изготовления изделий. Это позволит разработать технологически оптимальные, конструкции ИМС с устойчивым уровнем воспроизводимости функ циональных параметров.
В настоящее время научные основы автоматизации процесса обеспечения функциональной и технологической воспроизводимо сти ИМС на этапах проектирования и технологической подготовки производства с позиций системного подхода разработаны недоста точно полно.
з
Мы данную проблему решаем средствами САПР как за дачу моделирования и принятия оптимальных конструктивно-тех нологических решений с позиций системного подхода. Для этого разработана объединенная физико-технологическая модель (ОФТМ) элементов ИМС, построенная по иерархическому прин ципу с учетом локальных целей моделирования физических полей конструкции и технологических процессов производства. Она явля ется основой для разработки многоуровневой системы принятия конструктивно-технологических решений, которая позволяет пу тем решения задач оптимизации па локальных уровнях моделиро вания осуществить принятие решения по глобальному критерию оптимальности — обеспечение устойчивого выхода годных ИМС
Автор выражает признательность М. В. Лобуру, Д. В. Федасюку, Н. Б. Близнюку и В. Ф. Тарновскому за помощь при реше нии некоторых задач на ЭВМ. Мы также искренне благодарны проф. А. А. Яншину за замечания, устранение которых способст вовало улучшению книги.
Г Л А В А 1
ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА ПРИНЯТИЯ КОНСТРУКТИВНО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ НА ЭТАПЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ п о д г о т о в к и
ПРОИЗВОДСТВА ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ИМС
1.1. ОСОБЕННОСТИ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ
Степень совершенства разрабатываемых технологиче ских процессов производства элементной базы' микроэлектронной аппаратуры, а следовательно, и качество изделий, зависят от того, па каких технологических основах базируется методика проекти рования, какова их практическая и научная ценность.
Практика проектирования технологических процессов свиде тельствует о том, что обилие исходных данных и факторов, влияю щих на построение технологических процессов, приводит к большой вариантности принимаемых решений. В условиях единичного и серийного производства технолог обычно не имеет возможности просчитать несколько вариантов конструктивно-технологической реализации изделия. Отсюда большинство изделий микроэлектро ники и вариантов технологических процессов — неоптимальные. В этой связи становится актуальной задача системного обоснова ния принятия оптимальных конструктивно-технологических реше ний на этапе автоматизации технологической подготовки произ водства (ТПП) опытного образца изделий микроэлектронной аппа ратуры.
Системный подход принятия оптимальных конструктивно-тех нологических решений в условиях САПР предусматривает модели рование, формализацию и программную реализацию необходимого множества целей через функциональные и конструктивно-техноло гические характеристики как объекта проектирования, так и про цесса производства для обеспечения воспроизводимого выхода годных.
Разработка систем автоматизации процессов проектирования и производства изделий МЭА и создание на их основе комплекс но-автоматизированного производства базируются на формальном представлении всей совокупности процессов инженерного проек тирования и конструирования [56]. Комплексно-автоматизирован ное производство (КАП) рассматривается как единое целое, где рабочий процесс и процессы управления осуществляются на осно ве единого технического, программного и информационного обес-
5
печения. Это позволяет сформулировать ряд принципов, которые положены в основу создания КАП.
1.КАП создается как интерактивная система, в которой для автоматизации умственно-формальных процессов деятельности спе циалистов используют информационно-вычислительную систему.
2.КАП строится как развивающаяся система. Процессы раз вития в системе охватывают все основные ее компоненты (инфор мационные массивы, технический и программный комплексы, мето
дику проектирования и т. п.).
3. КАП формируется как открытая система, в которой обеспе чиваются информационные связи с системой стандартов и спра вочных данных, системами научно-технической информации, управ лением предприятием и т. п.
4.КАП создается как совокупность ряда подсистем (подсисте ма конструкторской подготовки производства, подсистема техно логической подготовки и т. д.), которые функционально взаимо действуют друг с другом.
5.КАП строится как система, в которой последовательно автоматизируются все основные этапы разработки нового изделия:
поисковые научные исследования, проектирование изделия, отра ботка базового технологического процесса для производства опыт ного образца, разработка проектно-конструкторской документа ции, проектирования технологических процессов серийного произ водства и т. п.
Естественно, что практическая реализация этих принципов при разработке КАП представляет собой серьезную научно-техниче скую проблему, которая еще полностью не решена в рамках общей теории систем. Поэтому на первом этапе разрабатывают функцио нальную структуру системы; на втором — осуществляют процесс декомпозиции структуры КАП по функциональным (техническим) признакам как совокупность функциональных подсистем; на тре тьем — производят формализацию и автоматизацию решения по следовательности задач, объединенных в отдельных функциональ ных подсистемах.
В общем случае КАП структурно состоит из ряда взаимосвя занных автоматизированных систем (рис. 1.1).
Очевидно, что вопросы проектирования нового изделия явля ются составной частью САПР конструкторской подготовки про изводства (КПП). Результат процесса КПП — набор конструк тивно-технологической документации разрабатываемого микро электронного изделия.
Автоматизированная система технологической подготовки про изводства (АСТПП) представляет собой сложный комплекс орга низационно-технических мероприятий и инженерно-технических работ, направленных на подготовку к выпуску новых или модер низированных изделий.
Основные задачи, связанные с управлением качеством и коли чеством выпускаемых изделий, эффективностью производства, точ ностью и стабильностью технологии, решаются автоматизирован
ной системой управления технологическими процессами (АСУТП). Информационное обеспечение конструктивно-технологического ха рактера осуществляется посредством использования базы данных (БД ). Все названные системы являются составными частями авто матизированной системы управления предприятием (АСУП).
По существу, концепция КАП является базовой для создания современных гибких автоматизированных производств (ГАП).
Анализируя |
этапы |
про |
|
||
цессов в КАП, можно отме |
|
||||
тить, что большая их часть |
|
||||
связана |
с проектированием |
|
|||
и разработкой |
нового |
изде |
|
||
лия н технологических |
про |
|
|||
цессов. Наряду |
с |
разработ |
|
||
кой и проектированием важ |
|
||||
ное место в КАП занимают |
|
||||
процессы, связанные |
с ис |
|
|||
пытанием опытных образцов |
|
||||
изделий |
и технологических |
Рис. 1.1. Структурная схема комплексно-ав |
|||
объектов, а также с изготов |
томатизированного производства. |
||||
лением |
опытного |
образца, |
|
||
оснастки и нестандартного оборудования. Выделим главные про цессы в системе КАП: проектирование, производство, испытание, исследование, эксплуатация. Все они взаимосвязаны. Поэтому КАГ1 можно рассматривать как сложную систему, которая состоит из большого числа взаимосвязанных проектных операций, осуще ствляющих поиск, анализ, синтез, оценку, оптимизацию, выбор технологических решений на различных стадиях проектирования, направленных в конечном итоге на выпуск готового изделия.
Под термином сложная система S понимаем совокупность мно жества взаимосвязанных элементов, представляющих собою це лостное образование [49]. Ей присущи такие признаки: наличие общей цели, большое число входящих в систему элементов, разно образие функций, выполняемых элементами, целостность, слож ность, изменение значений одних элементов вызывает изменения множества других, наличие регулируемых и нерегулируемых управляющих воздействий, стохастнчность поведения.
Вследствие такого подхода процесс автоматизации проектиро вания большой комплексной проблемы сводится к автоматизации взаимосвязанных решений менее сложных проблем с большей степенью детализации при едином рассмотрении.
При изучении сложных систем необходимо использовать мате матические методы, оперирующие множеством взаимодействую щих факторов. Язык теоретико-множественного аппарата, в тер минах которого формируются идеи и методы исследования систем,
является наиболее удобным для этих целей, ибо понятие |
слож |
|
ная система наиболее близко к математическому понятию |
мно |
|
жеств. Отличает их лишь целостность |
образования, наличие и |
|
существенность связей между большим |
числом элементов |
систе- |
Mjbi, общая цель функционирования. Одно и то же множество эле ментов в зависимости от целей функционирования может пред ставлять различные системы.
Такой подход к описанию большой (сложной) системы КАП позволит осуществить декомпозицию большой системы на системы меньшей размерности по функциональному признаку с последую щим выделением основного предмета исследования.
Таким образом, КАГ1 (большая система) представляет собой совокупность взаимосвязанных элементов (систем, подсистем, ло кальных модулей), с помощью которых множество входных пара
метров X преобразуют в множество выходных |
параметров У по |
средством некоторого оператора либо функции |
F: |
S : X F ^ Y , |
(1.1а) |
где X — множество входных параметров; У — множество выход ных параметров; F — функция, или оператор.
Выражение (1.1а) можно переписать в более компактной фор
ме: |
|
S : Y = F ( X ) . |
(1.16) |
Заметим, что как элементы множества X и У, так и сами мно |
|
жества в каждой конкретной задаче имеют конкретное |
значение |
в исследуемой системе S.
Обычно в системе помимо множества входных и выходных па раметров существуют множество управляемых (оптимизируемых) U и множество неконтролируемых параметров Е. Учитывая это,
выражения (1.1а), (1.16) принимают вид |
|
|
S : Y = F ( X , U , E ) . |
(1.2) |
|
Поскольку КАП состоит из пяти |
основных |
взаимосвязанных |
элементов (подсистем): САПР, КПП, |
АСТПП, АСУТП, БД, АСУП, |
|
то систему 5 молено определить как множество подмножеств вида
|
|
|
S = |
iX ,Y > U ,E ), |
|
|
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X = |
{X t), |
i = |
1,2, |
•••,л, |
Y = |
{Y j}, |
/ = |
1 , 2 , . .. , да; |
|
t / = |
{£/*}, |
Л = |
1 |
, |
2 £ |
= |
{ £ ,}, |
/ = |
1 , 2 , . . . , * . |
Таким образом, подсистема — это всякий объект из S, который, в свою очередь, может быть представлен как множество элементов, удовлетворяющих определению системы и функционально способ ствующий достижению необходимой цели. Итак, подсистема Si,j,h,i есть математический объект, состоящий из подмножеств вида
S u , k , i ^ { X l Yj,Uk, F l},
где среди конечного набора |
подсистем |
z, S ^ ]Jt k l каждая из |
них записывается следующим |
образом: |
|
8
si)« = {-4". Yf, um, £«>}.. sg!>, = <*?>. Yf . Uf, £»'>.•■•,
s \?„ = № . Y f\ u fK e|">> |
(i.3) |
На основании такой формализации систему КАП в абстрактной форме можно представить как
5клп = |
% |
U S & |
U S® , и % U % , |
(1.4) |
|
где |
|
|
|
|
|
5,% - |
САПР КПП; |
- АС ТПП; |
|
||
• % '- А С УТП ; |
% |
- Б Д ; |
% - А С У П . |
|
|
Решая ряд задач автоматизации ТПП опытного образца, целе сообразно более подробно проанализировать подсистему (S<*^)
конструкторской подготовки производства с точки зрения ее авто матизации.
Учитывая, что подсистемы КАП абстрактно описываются вы ражениями (1.2) — (1.3), т. е. одним математическим аппаратом, подсистему КПП можно представить в виде иерархической мно гоуровневой системы (рис. 1.2). Такого рода системы (подсистемы) характеризуются следующими специфичными свойствами: 1) по следовательное вертикальное расположение подсистем (вертикаль ная декомпозиция); 2) приоритет действий или право вмешатель ства подсистем верхнего уровня; 3) зависимость действий подси стем верхнего уровня от фактического исполнения нижними уров нями функций; 4) каждая подсистема наделена правом прини мать решения.
Анализируя рис. 1.2, следует отметить, что взаимодействие не обязательно происходит только между двумя близлежащими уров нями; оно зависит от того, что именно рассматривается в качестве подсистемы на данном уровне. Кроме того, в качестве подсистемы
вэтом случае можно понимать процесс преобразования множества входных в множество выходных параметров. Это преобразование
взависимости от функциональной направленности подсистемы бы вает динамическим и статическим.
Кнастоящему времени многие задачи автоматизации конст рукторской подготовки производства успешно решены. Этому, в первую очередь, способствовала разработка систем автоматизи рованного проектирования и конструирования микроэлектронной
элементной базы, систем автоматизированного выпуска конструк тивно-технологической документации и т. п. Большинство из этих систем является промышленными и успешно эксплуатируется.
Степень автоматизации задач ТПП опытного образца ИМС и производительность инженерного труда в этой сфере значительно
9
Рис. 1.2. Блок-схема вертикального взаимодействия между уровнями иерархии в системе конструкторской подготовки производства ИМС.
ниже, чем на верхних уровнях иерархии системы (рис. 1.2). Это объясняется рядом объективных и субъективных факторов и преж де всего большой размерностью и сложностью задач, которые необходимо решать на этом уровне автоматизации. Поэтому глав ное в решении задач автоматизации ТПП опытного образца ИМС — снижение трудоемкости и стоимости решения конструк тивно-технологических задач, повышение качества проектируемых технологических процессов и разрабатываемого изделия. Следует отметить, что качество процессов проектирования и производства трансформируется в качество функционирования готового изделияПоэтому в дальнейшем целесообразно разработать интегральный критерий качества объекта проектирования и процесса производ ства.
1C