Розробка комплексних моделей елементної бази МЕА для систем автоматизації проектування

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА КОМПЛЕКСНИХ МОДЕЛЕЙ ЕЛЕМЕНТНОЇ БАЗИ МЕА ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦІЇ ПРОЕКТУВАННЯ

Спеціальність: Системи автоматизації проектування

Пархоменко Анжеліка Володимирівна

Львів, 1999 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Як свідчить аналіз сучасного процесу проектування мікроелектронної апаратури (МЕА), важливою проблемою залишається скорочення термінів та підвищення якості проектування і виготовлення мікроелектронних пристроїв (МЕП), підвищення їх надійності.

На всіх етапах розробки МЕП використовуються системи автоматизації проектування (САПР), що зумовлено зростаючим ступенем інтеграції, високим рівнем конструктивної та функціональної складності виробів, необхідністю забезпечення конкуренто-придатності продукції, яка виготовляється. Хоча існує достатньо розвинуте математичне, програмне та інформаційне забезпечення для підсистем автоматизованого схемо-технічного і конструкторського проектування, використання його у ряді випадків при проектуванні аналогової МЕА не дало задовільних результатів, які б добре узгоджувалися з результатами випробувань. Однією з найбільш важливих проблем, які виникають при розробці апаратури на основі гібридних інтегральних модулів, мікрозборок є задача адекватного моделювання електричних та теплових процесів, що спільно відбуваються в апаратурі при її функціонуванні. Інша проблема пов'язана з вибором моделей та визначенням їх параметрів.

Аналіз функціональних можливостей існуючого програмного забезпечення для схемо-технічного проектування МЕА довів, що більшість програм не дозволяє урахувати реальні теплові режими роботи елементів схеми, які визначаються особливостями конструктивного виконання МЕП, неоднорідностями температурних полів, перегрівами активних зон елементів.

Існуючі програми аналізу теплових характеристик в конструкціях МЕА не дозволяють врахувати комплексний характер взаємодії електричних та теплових процесів, а окреме моделювання цих процесів в схемах і конструкціях не є адекватним та ефективним. Метод комплексного моделювання електричних і теплових процесів реалізовано у підсистемах АСОНІКА-ЕТ, ПКА МЕА. Але застосування цього забезпечення в ряді випадків не дозволило досягти високої точності моделювання, внаслідок неточностей математичних моделей елементної бази МЕА, які пов'язані з частковим врахуванням найважливіших фізичних ефектів та залежностей параметрів моделей від різниці електричних потенціалів, температури.

Існуючі електричні і теплові моделі напівпровідникових приладів (НПП) та інтегральних мікросхем (ІМС), з точки зору можливості їх використання для комплексного моделювання електричних та теплових процесів в МЕА мають такі недоліки - деякі існуючі електричні моделі незручно використовувати для аналізу електронних схем з застосуванням методів теорії електричних кіл, бо вимагають додаткових математичних перетворень - більшість електричних моделей відрізняються високою точністю моделювання електричних процесів, але не дозволяють враховувати реальні теплові режими функціонування елементів, а фізичні процеси в них описуються формальними апроксимаціями, які слабо пов'язані з фізичними принципами функціонування та топологією приладів - ряд відомих моделей характеризуються достатньо великою кількістю параметрів та спеціальною методикою їх визначення, яка вимагає проведення складних, тривалих експериментальних вимірювань параметрів партій дослідних зразків - теплові моделі у вигляді багатошарових систем різнорідних елементів дозволяють з високою точністю моделювати теплові процеси в складних структурах, але не відбивають їх вплив на електричні процеси і не можуть використовуватись для побудови математичних моделей електронних схем.

Тому, розробка придатних для використання в сучасних САПР уточнених комплексних моделей елементної бази МЕА, які дозволяють з інженерною точністю врахувати взаємопов'язаний характер протікання електричних і теплових процесів, а також методики ідентифікації їх параметрів, що базується на розрахунковому способі, є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи відповідає планам пріоритетного напрямку галузевої програми “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, системи зв'язку”, що проводяться на кафедрі “Конструювання та виробництво радіоапаратури” Запорізького державного технічного університету.

Мета і задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи полягає в розробці комплексних моделей елементної бази мікроелектронної апаратури і методики ідентифікації їх параметрів для розширення математичного та інформаційного забезпечення САПР і підвищення на цій основі точності моделювання електричних і теплових процесів в МЕА на ранніх етапах проектування.

Для досягнення мети роботи необхідно було вирішити наступні задачі:

- розробити методику створення комплексних моделей елементної бази МЕА, яка дозволить побудувати комплексну фізико-топологічну модель елемента, розробити методику ідентифікації її параметрів та перевірити точність і адекватність моделі та методики;

- розробити методику визначення параметрів комплексних моделей елементів, що базується на розрахунковому способі з використанням доступних вхідних даних, які містяться у конструкторсько-технологічній документації та технічних умовах на елементи;

- розробити програмно-методичний комплекс ідентифікації параметрів комплексних моделей елементної бази МЕА, згідно з вимогами до сучасних програмних продуктів;

- розробити організаційно-методичне забезпечення застосування комплексних моделей елементної бази та програмно-методичного комплексу ідентифікації параметрів моделей при автоматизованому проектуванні МЕА;

- розробити комплексні фізико-топологічні моделі напівпровідникового випростувального діоду, біполярного та МДН-транзисторів, операційного підсилювача, які розширять існуюче математичне забезпечення САПР та дозволять підвищити точність моделювання електричних і теплових процесів в МЕА.

Методи досліджень.

В процесі рішення поставлених задач застосовувалися принципи системного аналізу, методи аналізу електронних схем та математичного моделювання, теорії графів, теорії тепло- та масо- обміну, апарат і методи інтервальної математики, прикладного та системного програмування, експериментальні методи досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше запропоновано оригінальну методику розробки комплексних моделей елементної бази МЕА, яка на відміну від відомих дозволяє виконати розробку моделі елемента з врахуванням комплексного характеру протікання взаємопов'язаних електричних та теплових процесів;

- розроблено комплексні фізико-топологічні моделі випростувального діоду, біполярного та МДН-транзисторів, операційного підсилювача, які відрізняються від існуючих ступенем врахування найважливіших фізичних ефектів та залежностей параметрів моделей від різниці електричних потенціалів і температури;

- розроблено розрахункову методику визначення параметрів комплексних моделей, яка дозволяє провести розрахунок первинних параметрів моделей з використанням геометричних, технологічних, електрофізичних параметрів напівпровідникових структур та даних технічних умов, як вхідної інформації;

- вперше запропоновано та обґрунтовано можливість і доцільність використання інтервальної математики для отримання до пускових значень первинних параметрів моделей;

- розроблено структуру програмно-методичного комплексу ідентифікації параметрів комплексних моделей, який є суттєвим розширенням існуючого інформаційного забезпечення САПР, які використовуються для комплексного моделювання взаємопов'язаних електричних та теплових процесів в МЕА.

Практичне значення отриманих результатів:

- розроблено методику створення комплексних моделей елементів, яка може використовуватись в практиці інженерного проектування для побудови моделей напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем;

- розроблено комплексні фізико-топологічні моделі елементної бази МЕА, які дозволяють підвищити точність моделювання електричних і теплових процесів при автоматизованому проектуванні МЕА;

- запропоновано методику визначення первинних параметрів комплексних моделей елементної бази МЕА, що утворює методологічну основу для розробки програмно-методичного комплексу ідентифікації параметрів моделей (ПМКІ ПМ);

- розроблено методичне, лінгвістичне та програмне забезпечення для практичного застосування запропонованих комплексних моделей та ПМКІ ПМ при автоматизованому проектуванні МЕА.

Реалізація результатів роботи. Робота виконана в Запорізькому державному технічному університеті. Результати роботи впроваджено в практику інженерного проектування КБ “Іскра”, НВО "ХАРТРОН-СПАРК", в навчальний процес Запорізького державного технічного університету.

Особистий внесок автора в отриманих наукових результатах полягає в тому, що всі положення, які становлять суть дисертації, були сформульовані та вирішені самостійно. У публікаціях, які написані у співавторстві, здобувачу належить:

- розробка бібліотеки інтервальних операцій і функцій для розрахунку параметрів комплексних моделей елементів;

- розробка структури та опису комплексних;

- моделей напівпровідникових приладів;

- розробка алгоритму методики створення комплексних моделей та змісту основних її етапів;

- розробка методики визначення параметрів комплексної моделі біполярного транзистору;

- розробка методики визначення параметрів комплексної моделі випростувального діоду;

- розробка рекомендацій щодо застосування на етапі схемо-технічного проектування МЕА моделей елементної бази, які найбільш повно відображають фізичні принципи функціонування та структуру приладів;

- розробка узагальненої комплексної моделі елемента;

- підхід до розробки розрахункової методики визначення параметрів комплексних моделей елементної бази МЕА із застосуванням даних технічних умов та конструкторсько-технологічної документації;

- обґрунтування необхідності застосування розроблених комплексних моделей елементної бази та методик ідентифікації їх параметрів при автоматизованому проектуванні МЕА;

- розробка інтервальних операцій та функцій, що можуть застосовуватися для розрахунків параметрів моделей елементної бази МЕА.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на:

- науково-технічній конференції "Машинное моделирование и обеспечение надежности электронных устройств" (1993 р., Бердянськ);

- міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів” (1994 р., 1996 р., Львів);

- науково-технічній конференції “Досвід розробки і застосування технологічних САПР в мікроелектроніці” (1995 р., 1997 р., Львів);науково-методичній конференції “Методологические проблемы качества обучения и обучения качеству” (1997 р., Харків);

- міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми засобів телекомунікації, комп'ютерної інженерії та підготовки спеціалістів” (1998 р., Львів).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи опубліковано в 13 друкованих працях (3 написані без співавторів), з них 3 - в фахових виданнях України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, що викладені на 154 сторінках (120 сторінок друкованого тексту), списку використаних джерел (117 найменувань) та 5 додатків. Робота містить 20 рисунків та 13 таблиць.

2. ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі викладено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність та важливість питань, які розглядаються в дисертаційній роботі, визначено мету та задачі дослідження, сформульовані основні наукові положення, які виносяться на захист та практична цінність роботи.

Перший розділ носить оглядовий характер і присвячений аналізу особливостей сучасного процесу автоматизованого проектування мікроелектронної апаратури, програмного, математичного та інформаційного забезпечення САПР.

Відзначено, що особливістю проектованої на основі гібридно-інтегральних модулів та мікрозборок МЕА, є висока конструктивна та функціональна складність, жорсткі температурні умови експлуатації, які характеризуються значним діапазоном зміни температури навколишнього середовища (від -60 до +65С). Високий ступінь інтеграції елементів в МЕП і в апаратурі в цілому спричиняє появу при функціонуванні МЕА значних теплових потоків. Характерною особливістю є значна температурна залежність параметрів елементної бази, що використовується при проектуванні МЕА, а також неоднорідність температурного поля конструкції. У зв'язку з цим, значно підвищуються вимоги до адекватності моделювання електричних і теплових процесів, що спільно протікають в МЕП, а також до точності розрахунків, які проводяться на ранніх етапах проектування.

Встановлено, що автономне використання існуючих САПР на етапах схемо-технічного і конструкторського проектування МЕА не дозволяє отримати задовільні результати, внаслідок чого зростають терміни проектування та витрати на доробку апаратури. Це зумовлено обмеженими функціональними можливостями програмного забезпечення з точки зору врахування взаємопов'язаних електричних і теплових процесів, що спільно відбуваються в МЕП при його функціонуванні.

Виконано дослідження математичного та інформаційного забезпечення сучасних САПР МЕА. Показано, що точність математичного моделювання, обчислювальні витрати та адекватність моделювання фізичних процесів в схемах і конструкціях МЕА визначаються математичними моделями напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем, а також значеннями їх параметрів. Тому, актуальною є задача розробки комплексних моделей елементної бази МЕА, які дозволять найбільш повно урахувати фізичні принципи функціонування, структуру, топологію елементів, а також взаємопов'язані електричний та тепловий режими їх роботи.

Відзначено, що традиційні методики ідентифікації параметрів моделей базуються на експериментальних вимірюваннях або розрахунках за даними технічних умов (ТУ) на елементи. Експериментальні методики характеризуються високою трудомісткістю, складністю, тривалістю, значними похибками вимірювань основних параметрів, необхідністю у вимірювальних комплексах. Розрахунки за даними ТУ зазвичай пов'язані з усередненням даних, вибором довільних значень з вказаних інтервалів або відсутністю необхідної інформації. Тому, розробка розрахункової методики ідентифікації параметрів моделей, що дозволяє з достатньою точністю визначити необхідні параметри і допуски на них, є актуальною задачею.

Проведено аналіз взаємопов'язаних фізичних процесів, які відбуваються в елементній базі МЕА, що дозволило визначити фізичні ефекти, залежності параметрів від режиму (різниці електричних потенціалів, температури), які необхідно урахувати в моделях елементної бази при їх розробці.

Виконані дослідження довели необхідність розробки та застосування в існуючих САПР МЕА комплексних моделей елементної бази і методик ідентифікації їх параметрів, заснованих на розрахунковому способі, з використанням доступної вихідної інформації, що міститься в конструкторсько-технологічній документації (КТД), технічних умовах на елементи та в довідковій літературі.

Другий розділ присвячений розробці комплексних фізико-топологічних моделей елементної бази МЕА і методики ідентифікації їх параметрів.

Вимоги до комплексних моделей елементної бази МЕА витікають з недоліків математичних моделей, які використовуються в сучасних САПР МЕА і методик ідентифікації їх параметрів, а також із сутності та особливостей застосування моделей для комплексного моделювання електричних і теплових процесів в апаратурі, яка досліджується. Вони можуть бути сформульовані наступним чином:

- моделі мають бути адекватні об'єкту моделювання, з достатньою точністю відображати фізичні процеси в приладі;

- моделі мають відбивати взаємний вплив електричних і теплових процесів, що спільно протікають в приладі, дозволяти проаналізувати роботу елементу з урахуванням його реальної температури;

- ідентифікація первинних параметрів моделей має здійснюватись розрахунковим способом, з використанням доступної вхідної інформації;

- методика ідентифікації має забезпечувати розрахунок до пускових значень параметрів моделей;

- методика розрахунку первинних параметрів моделей має легко програмно реалізовуватися.

Аналіз особливостей моделювання МЕА, а також вимог до комплексних моделей дозволив зробити висновок, що найбільш повно урахувати фізичні принципи функціонування, структуру, топологію, а також тісний взаємний вплив електричних і теплових процесів дозволяють комплексні фізико-топологічні моделі елементної бази (КФТМ). Це моделі у вигляді еквівалентної заступної схеми, вітки якої відбивають шляхи розповсюдження потокових змінних з урахуванням ідеалізації фізичного процесу, вузли моделі відповідають поверхням, об'ємам, або частинам об'ємів, а первинні параметри визначаються фізико-топологічними та фізико-технологічними параметрами напівпровідникової структури. Моделі можуть бути представлені у вигляді двох складових частин - моделі електричних (ЕМ) та моделі теплових процесів (ТМ) (рис.). Взаємозв'язок між складовими частинами комплексної моделі здійснюється через залежності параметрів компонентів від змінних моделі - різниці електричних потенціалів, температури (табл.).

Принципи об'єднання двох топологічних моделей відображають реальний взаємний зв'язок між електричними та тепловими процесами у приладах і можуть бути зведені до наступного:

- джерело теплового потоку в тепловій моделі, яке моделює тепловиділення в елементі, представляється як залежне джерело, кероване потенційними змінними віток електричної моделі;

- зворотний зв'язок між електричною та тепловою моделлю встановлюється шляхом введення в ЕМ залежностей внутрішніх параметрів компонентів від температурного потенціалу активної зони ТМ, причому внутрішній параметр вітки ЕМ відповідає фізичному параметру елемента, а вигляд температурної залежності використовується відомий.

Рис.:

Таблиця - Залежності внутрішніх параметрів компонентів від змінних моделей:

Для створення комплексних моделей елементів запропоновано методику розробки моделей, яка об'єднує основні етапи побудови моделі:

- вибір структури моделі і співвідношень для опису її віток;

- розробку методики визначення її параметрів;

- перевірку точності і адекватності моделі та методики.

Методика може використовуватись для створення моделей напівпровідникових приладів та ІМС.

Розроблено комплексні фізико-топологічні моделі випростувального діода, біполярного та МДН-транзисторів, операційного підсилювача, які відрізняються від існуючих ступенем урахування найважливіших фізичних ефектів і залежностей параметрів моделей від взаємопов'язаних електричного та теплового режимів функціонування приладу. Опис моделей наведено в наступній послідовності:

- пасивні компоненти моделі - параметри лінійних і нелінійних компонентів, потокові змінні нелінійних компонентів;

- активні компоненти моделі - потокові і потенційні впливи залежних та незалежних джерел, коефіцієнти керування залежних джерел і співвідношення для потенційних впливів незалежних джерел;

- відповідно до опису пасивних і активних компонентів виділено вектор внутрішніх параметрів компонентів моделі;

- наведено аналітичні співвідношення для залежностей внутрішніх параметрів компонентів моделі від змінних моделі (різниці електричних потенціалів, температури);

- з урахуванням параметрів наведених залежностей виділено вектор первинних параметрів КФТМ.

Огляд літературних джерел в галузі теорії і практики проектування конструкцій та технології виготовлення НПП та ІМС свідчить, що накопичений досвід та існуючі співвідношення для розрахунку конструктивних, теплових, електрофізичних параметрів структур можуть з успіхом використовуватись при визначенні первинних параметрів розроблених КФТМ елементної бази МЕА. Виходячи з цього, для розробки методики розрахунку параметрів моделей необхідно виконати наступне:

- визначити вхідні дані для розрахунку (геометричні, електрофізичні, технологічні параметри структури та дані ТУ на елемент);

- вибрати співвідношення, які дозволяють з достатньою точністю розрахувати шукані параметри;

- визначити послідовність розрахунку;

- виконати розрахунок параметрів моделей елементів конкретних типономіналів.

Базуючись на викладеному підході, розроблено методику визначення первинних параметрів моделей випростувального діода, біполярного та МДН-транзисторів, операційного підсилювача.

Показано, що задача розрахунку до пускових значень параметрів КФТМ на основі запропонованих методик може бути вирішена за допомогою інтервальної математики. Необхідність інтервальних розрахунків обумовлена тим, що дані КТД та ТУ на елементи часто наводяться у допустимих інтервалах. Доцільність отримання до пускових значень параметрів моделей обумовлена їх використанням при аналізі показників надійності та якості аналогових МЕП.

Запропонована методика розрахунку параметрів моделей ефективна і дозволяє уникнути проведення експериментальних досліджень партій дослідних зразків, що істотно знижує трудомісткість і вартість ідентифікації параметрів моделей елементної бази МЕА.

Третій розділ присвячено розробці програмно-методичного комплексу ідентифікації параметрів комплексних моделей елементної бази МЕА (ПМКІ ПМ). Методологічну основу для розробки ПМКІ ПМ утворюють запропоновані методики визначення первинних параметрів комплексних моделей елементів.

Показано, що програмний комплекс, з точки зору його призначення, організації програмного забезпечення та особливостей використання у взаємодії з існуючою підсистемою автоматизованого схемо-технічного проектування МАЕС-П, має:

- забезпечувати розрахунок параметрів моделей;

- мати гнучку структуру, що дозволяє доповнювати комплекс іншими функціональними модулями і блоками, які б розширювали його функціональні можливості;

- забезпечувати функціонування як в автономному режимі, так і у взаємодії з іншими САПР(наприклад, МАЕС-П);

- введення вхідних даних має здійснюватись в простому, зручному для користувача вигляді;

- зберігати інформацію в БД, забезпечувати її введення, коректування, функції експорту в БД інших САПР;

- забезпечувати можливість представлення результатів роботи ПМКІ ПМ у сучасному текстовому та графічному вигляді.

З врахуванням вказаних вимог розроблено структурну схему ПМКІ ПМ. Структурне розбиття виконано у відповідності до основних задач, що вирішуються програмним комплексом. Функціональне призначення блоків ПМКІ ПМ наступне.

Монітор комплексу здійснює координовану взаємодію функціональних блоків та програмних модулів в процесі роботи.

Блок введення вхідних даних забезпечує введення (коректування) вхідних даних та операції попередньої обробки інформації.

Блок розрахунку параметрів моделей призначений для розрахунку первинних параметрів моделі заданого елементу з використанням вхідних даних по цьому елементу, що зберігаються в БД.

Блок роботи з базою даних призначений для виконання операцій над інформацією, що міститься в БД.

Блок інтерпретації даних БД призначений для узагальнення та інтерпретації інформації, що міститься в БД ПМКІ ПМ у сучасному текстовому та графічному вигляді.

Блок взаємодії ПМКІ ПМ з підсистемою МАЕС-П забезпечує формування файлу, що містить список параметрів моделі елемента конкретного типономіналу у відповідності до визначеної структури та вимог вхідної мови МАЕС-П.

Запропонована архітектура комплексу дозволяє забезпечити ефективну та надійну роботу всіх блоків, що входять в ПМКІ ПМ, а також контроль коректності даних на кожному етапі роботи. При цьому комплекс залишається простим в використанні і відповідає всім вимогам.

Як інструментальний засіб для розробки вибрано Borland Delphi V2.0, який дозволяє найбільш повно реалізувати вимоги до ПМКІ ПМ та забезпечує об'єктно-орієнтований підхід до розробки програм з використанням таких функцій як наслідування, інкапсуляція, поліформізм, що значно спрощує розробку, відладку і, особливо, подальшу модернізацію та доповнення програм.

Розроблено зручний сучасний графічний інтерфейс програми, який дозволяє користувачу зосередитися на вирішенні поставлених задач та аналізі отриманих результатів. Інтерфейс програми містить стандартні елементи керування, що надаються Delphi (компоненти): багаторівневі меню, робочі та діалогові вікна, панелі інструментів, кнопки, текстові поля, графічні об'єкти та інші. Крім того, розроблено елементи, які доповнено специфічними властивостями. Інтерактивне графічне середовище побудовано з використанням принципу багато-віконного інтерфейсу, коли кожне вікно в програмі належить окремому блоку та надає користувачу свій набір функцій.

Розроблено інформаційне забезпечення ПМКІ ПМ для компактного представлення даних та зручної роботи з ними, а також лінгвістичне забезпечення програмного комплексу, яке дозволяє ефективно реалізовувати функції по перетворенню даних до формату вхідних файлів підсистеми МАЕС-П.

Розроблений ПМКІ ПМ дозволяє ефективно та точно розрахувати необхідні параметри моделей та є суттєвим розширенням існуючого інформаційного забезпечення сучасних САПР.

Четвертий розділ присвячений розробці організаційно-методичного забезпечення застосування КФТМ елементної бази та ПМКІ ПМ при автоматизованому проектуванні МЕА.

З метою найбільш ефективного використання КФТМ елементної бази при автоматизованому проектуванні МЕА, моделі було вбудовано у відому вітчизняну підсистему схемо-технічного моделювання МАЕС-П, що розповсюджена у галузі.

Встановлено, що структурні та функціональні особливості підсистеми дозволяють вважати її досить зручною і ефективною для моделювання електронних схем з використанням КФТМ елементної бази МЕА. Головною перевагою МАЕС-П є наявність відкритої бібліотеки моделей елементів (БМЕ) та бібліотеки параметрів (БПМЕ), що дозволяє поповнювати їх новими моделями без зміни алгоритму функціонування підсистеми.

Розроблено методичне забезпечення по застосуванню комплексних моделей, яке дозволяє виконати:

- опис КФТМ напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем на вхідній мові МАЕС-П, занесення їх в бібліотеку моделей елементів;

- розробку фортран-підпрограм лінійних та нелінійних функцій, що описують вітки моделей, занесення їх в бібліотеку нелінійних функцій (БНФ);

- передачу розрахованих ПМКІ ПМ первинних параметрів моделі елемента конкретного типономіналу в бібліотеку параметрів моделей елементів МАЕС-П для використання підсистемою при розрахунку математичних моделей схем, що містять вбудовані КФТМ елементної бази МЕА.

Практично реалізовано вбудування в підсистему розроблених комплексних моделей випростувального діоду, біполярного та МДН-транзисторів, операційного підсилювача. Виконано перевірку точності і адекватності моделей шляхом моделювання спеціально розроблених тестових схем.

Отримано дані для моделей приладів конкретних типономіналів, які добре узгоджуються з даними ТУ, тому результати визнано задовільними, а розроблені моделі та параметри занесено до бібліотек підсистеми.

Вбудування в підсистему МАЕС-П розроблених КФТМ елементної бази МЕА дозволило підвищити ефективність даного програмного забезпечення та розширити його функціональні можливості: тепер в результаті розрахунку є можливість водночас одержати електричні характеристики і теплові параметри (температури активних зон елементів) з урахуванням взаємопов'язаних електричного і теплового режимів функціонування МЕП, що підтверджено актом впровадження результатів роботи в НВО “ХАРТРОН-СПАРК”.

З метою визначення точності моделювання фізичних процесів у МЕП було виконано дослідження електричних і теплових характеристик тестової мікрозборки.

Під час проведених досліджень здійснювалися експериментальні вимірювання та виконувався аналіз режимних і функціональних характеристик тестового вузла за допомогою підсистеми МАЕС-П. Експериментальні дослідження передбачали вимірювання параметрів та характеристик на вимірювальному обладнанні, що використовується в КБ “Іскра”.

Моделювання усталених режимів тестового вузла проводилося з урахуванням значень напруг живлення і заданої робочої температури.

Результати статистичної обробки експериментальних та розрахованих значень довели, що максимальна похибка по розрахунку електричних характеристик складає 3,6%, при цьому отримано наступні значення оцінки математичного очікування і незміщеної оцінки дисперсії похибки моделювання m=1,24%. Максимальне відхилення між АЧХ, одержаними експериментально і шляхом розрахунку склало 7%.

Отримані дані свідчать про достатньо високу точність моделювання електричних і теплових процесів в МЕП з використанням запропонованих комплексних моделей. Це дозволить підвищити ефективність робіт на ранніх етапах проектування, знизити терміни розробки та витрати на доробку виробів, що підтверджено актом впровадження результатів роботи в практику інженерного проектування КБ “Іскра”.

Впровадження результатів роботи в навчальний процес підготовки інженерів за спеціальностями “Виробництво електронних засобів”, “Програмне забезпечення автоматизованих систем” в Запорізькому державному технічному університеті дозволило підвищити рівень підготовки спеціалістів в плані організації сучасного процесу автоматизованого проектування МЕА за критеріями скорочення термінів проектування, а також забезпечення якості та надійності проектованої апаратури, що підтверджено актом впровадження в навчальний процес вищого учбового закладу.

2. ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

Найбільш суттєві теоретичні і практичні результати дисертації полягають в наступному:

1. Встановлено, що однією з найбільш суттєвих проблем, які виникають при автоматизованому проектуванні МЕА на основі гібридно-інтегральних модулів та мікрозбірок є неадекватне моделювання електричних і теплових процесів, які сумісно відбуваються в апаратурі. Це призводить до зростання термінів проектування і виготовлення МЕП, витрат на їх доробку, зниження якості проектованих приладів та зумовлене рядом аспектів:

- недоліками програмного забезпечення, яке не дозволяє в достатній мірі врахувати тісний взаємний вплив електричних та теплових процесів, що протікають в апаратурі, реальні режими роботи елементів схеми, які обумовлені суттєвою температурною залежністю параметрів елементної бази, яка використовується, а також перегрівами активних зон елементів;

- недоліками існуючих моделей напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем, які обумовлені частковим врахуванням залежностей параметрів моделей від режиму (різниці електричних потенціалів, температури), а також не обліком деяких важливих фізичних ефектів;

- неефективністю застосування традиційних методик ідентифікації параметрів моделей, внаслідок високої трудомісткості, тривалості, складності, похибок вимірювань, необхідності в вимірювальних комплексах, а також через відсутність інформації в технічних умовах на елементи.

2. Розроблено методику створення комплексних моделей елементів, яка може бути застосована для побудування моделей напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем, дозволяє виконати вибір вихідної математичної моделі і співвідношень для опису її віток, розробити методику визначення параметрів моделі, перевірити точність та адекватність моделі і методики.

3. Розроблено комплексні фізико-топологічні моделі напівпровідникового випростувального діоду, біполярного та МДН-транзисторів, операційного підсилювача, які дозволяють найбільш повно врахувати фізичні принципи функціонування приладів, їх структуру і топологію, а також комплексний характер протікання електричних та теплових процесів.

4. Розроблено методику ідентифікації первинних параметрів запропонованих комплексних моделей, відрізняючими особливостями якої є розрахунковий підхід, з використанням як вхідної інформації геометричних, технологічних та електрофізичних параметрів структури елемента, які містяться в конструкторсько-технологічній документації та технічних умовах на елементи, а також застосування інтервальної математики для визначення до пускових значень первинних параметрів моделей.

5. Розроблено сучасний програмно-методичний комплекс ідентифікації параметрів комплексних фізико-топологічних моделей елементної бази МЕА, який є суттєвим розширенням інформаційного забезпечення САПР, що використовуються для комплексного моделювання взаємопов'язаних електричних та теплових процесів в МЕА.

6. Розроблені методики вбудування комплексних моделей елементів в підсистему МАЕС-П з використанням механізму лінійних та нелінійних функцій та складання фортран-підпрограм лінійних та нелінійних функцій для створення опису моделі в базі даних моделей елементів МАЕС-П.

7. Забезпечено вбудування в підсистему МАЕС-П моделей напівпровідникового випростувального діоду, біполярного та МДН-транзисторів, операційного підсилювача, включаючи тестування моделей та їх запис в бібліотеки МАЕС-П, що дозволило підвищити ефективність програмного забезпечення підсистеми МАЕС-П, що підтверджено актом впровадження результатів роботи в НВО “ХАРТРОН-СПАРК”.

8. Застосування запропонованих комплексних моделей елементної бази та ПМКІ ПМ при автоматизованому проектуванні МЕА дозволило підвищити точність моделювання електричних і теплових процесів в МЕА, а це дозволить скоротити терміни розробки та витрати на доробку, що підтверджено актом впровадження результатів роботи в практику інженерного проектування КБ ”Іскра”.

9. Впровадження результатів дисертаційної роботи в навчальний процес вищого учбового закладу дозволило підвищити рівень спеціалістів в плані організації сучасного процесу автоматизованого проектування мікроелектронної апаратури за критеріями скорочення термінів проектування, а також забезпечення якості та надійності проектованої МЕА.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Крищук В.М., Пархоменко А.В., Шило Г.М. Застосування інтервального аналізу для розрахунків до пускових значень параметрів моделей елементної бази МЕА // Електроенергетичні та електромеханічні системи. Вісник ДУ ”Львівська політехніка”. - №340. - Львів, 1997. - С. 147-152.

2. Пархоменко А.В., Коновальчук А.С. Комплексне моделювання електричних і теплових процесів у напівпровідникових приладах // Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика. Вісник ДУ ”Львівська політехніка”. - №327. - Львів, 1998. - С. 241-245.

3. Коновальчук А.С., Пархоменко А.В. Розроблення методики ідентифікації первинних параметрів комплексних фізико-топологічних моделей елементної бази МЕА // Комп'ютерні системи проектування. Теорія і практика. Вісник ДУ ”Львівська політехніка”. - №327. - Львів, 1998. - С. 256-260.

4. Коновальчук А.С., Пархоменко А.В. Идентификация модели транзистора на основе физико-технологических параметров. - Техника, экономика. Межотраслевой научно-технический сборник, Серия: “Автоматизация проектирования”, вып. 1-2, М.: ВИМИ,1995. - С. 37-45.

5. Пархоменко А.В., Коновальчук А.С. Идентификация параметров модели полупроводникового диода // Матеріали Міжнародної НТК, присвяченої 150-річчю ДУ “Львівська політехніка” “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів” Ч.1. - Львів, 1994. - С. 71-74.

6. Коновальчук А.С., Пархоменко А.В. Применение физико-топологических моделей на этапе схемотехнического проектирования микроэлектронной аппаратуры // Матеріали Міжнародної НТК “Сучасні проблеми автоматизованої розробки і виробництва радіоелектронних засобів та підготовки інженерних кадрів”. - Львів, 1996. - С. 141.

7. Пархоменко А.В., Коновальчук А.С. Комплексное моделирование электрических и тепловых процессов в полупроводниковых приборах // Тези доповідей 4-ої НТК “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”. - Львів, 1997. - С. 141-142.

8. Пархоменко А.В., Коновальчук А.С. Физико-топологическое и технологическое моделирование при автоматизированном проектировании МЭА // Тезисы докладов НТК “Машинное моделирование и обеспечение надежности электронных устройств”. - Бердянск, 1993. - С. 46.

9. Пархоменко А.В. Идентификация первичных параметров физико-топологической модели МДП-транзистора // Тези доповідей 4-ої НТК “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”. - Львів, 1997. - С. 140.

10. Пархоменко А.В. Идентификация первичных параметров топологических моделей полупроводниковых приборов // Тези доповідей НТК “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”. - Львів, 1995. - С. 155. автоматизація мікроелектронний інформаційний

11. Крищук В.Н., Пархоменко А.В., Сердюк С.Н. Идентификация параметров моделей элементной базы при автоматизированном проектировании МЭА // Матеріали НТК “Сучасні проблеми засобів телекомунікації, комп'ютерної інженерії та підготовки спеціалістів (TSEF'98)”. - Львів, 1998. - С. 3.

12. Гапоненко Н.П., Шило Г.Н., Пархоменко А.В. Интервальная арифметика для моделирования в радиоэлектронике // Матеріали НТК “Сучасні проблеми засобів телекомунікації, комп'ютерної інженерії та підготовки спеціалістів (TSEF'98)”. - Львов, 1998. - С. 4-5.

13. Пархоменко А.В. Программно-методический комплекс идентификации параметров моделей элементной базы МЭА // Материалы НМК “Методологические проблемы качества обучения и обучения качеству”. - Харьков, 1997. - С. 67.

Размещено на Allbest.ru

...