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1、本文由 Easoncumt 贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第 25 卷第 2 期 2005 年 5 月 V o l 25, N o. 2 . 固体电子学研究与进展 M ay. , 2005 R ESEA RCH & PRO GR ESS O F SSE 材料与工艺混合滤波电路可制造性优化设计焦慧芳 1, 2 贾新章 1 曾志华 1 ( 1 西安电子科技大学微电子学院, 西安 , 710071) ( 2 信息产业部电子五所, 广州 , 510610) 2003204229 收稿 , 2003208218 收改稿摘要 : 以统计最优化方法
2、为理论指导, 利用 PSP ICE 电路模拟软件中的统计优化模块和参数扫描功能, 对混合滤波电路进行了针对成品率的可制造性优化设计, 提高了该产品的设计成品率, 达到了批量生产的要求。同 时, 从中提升出基于 PSP ICE 平台的电路可制造性优化设计技术。关键词 : 成品率。优化。蒙特卡诺分析。可制造性 the sta t ist ic op t i iza t ion m odu le and p a ram eter sw eep m odu le of PSP ICE EDA softw a re to m op t i ize m anufactu rab ility design
3、a i ing a t y ield of a hyb rid filter circu it, w h ich i p roves the m m m . design y ield of the circu it, and is su itab le fo r m a ss p roduct ion a s w ell Fu rther m o re, th is p ap er ex t ract s the techn ique fo r m anufactu rab ility op t i iza t ion design a i ing a t the p roduct ion
4、m m y ield of IC s ba sed PSP ICE from the exp eri en t. m EEACC: 2890 Key words: production y ield。 opti iza tion。 M on te Carlo ana lysis。 manufacturab il ity m 1 引言电路制造技术高速发展的动力是其本身独特的优越性及其对社会、科技、经济和军事的推动作用。从市场决策来说, 电路的可制造性主要取决于 E 2 ail: jadehf 163. net m 中 图 分 类 号 : TN 713文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 :
5、 100023819 ( 2005) 022271205 1, 2 1 1 JI AO H u ifang J I X inzhang ZEN G Zh ihua A 2 The Techn ique for M anufacturab il ity O pti iza tion m D esign A i ing a t the Y ield of ICs m ( 1S chool of M icroelectron ics X id ian U n iv ersity , X i , 710071, CH N ) an ( T he N o. 5 E lectron ic Institu
6、te of Inf orm a tion Ind ustry M in istry , Guang z hou , 510610, CH N ) Abstract: A cco rd ing to the theo ry d irect ion of the sta t ist ic op t i iza t ion, th is p ap er u ses m 投入产出比 , 反映到产品生产的关键指标就是成品率。提高成品率的方法有很多种, 主要集中体现在产品设计和制造阶段, 两者比较而言 , 设计成品率起决定作用 , 制造对设精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
7、 - - - - - -第 1 页，共 6 页计成品率起保障作用。要提高设计成品率, 必须对电路进行最优化设计。电路的最优化设计是建立在计算机辅助设计基 272 固体电子学研究与进展 25 卷础上 , 利用数学规划理论和电路模拟工具相结合的过程。要提高成品率进行可制造性优化设计 , 仅考虑性能优化是不够的, 必须由原来确定性方法向随机和统计性方向发展。所谓确定性最优化方法是指设计变量在优化过程中不存在随机起伏, 这类方法又称为零容差最优化方法。统计最优化方法是指设计变量是随机变量, 这类方法实质是确定随机变量在最优条件下的平均值和偏差值。本文就是以统计最优化方法为理论指导, 利用 PSP IC
8、E 电路模拟软件中的统计优化模块和参数扫描功能 , 对某厂研制的混合滤波电路进行了针对成品率的可制造性优化设计, 提高了该产品的设计成品率 , 使其达到了批量生产的要求。提高电路的可制造性有很多优化设计方法, 不同的电路拓扑设计、不同的优化判据设置对电路的成品率存在决定性的影响。但本文的研究是在电路拓扑设计已优化确定的基础上, 研究电路中元器件容差对成品率的影响 , 通过优化电路中元器件的容差范围, 实现电路可制 造 性 优 化 设 计。同 时, 从 中 提 升 出 基 于 PSP ICE 平台的电路可制造性优化设计技术。在实际的电路中, 采用的元器件值不可能完全相同 , 而是具有一定的分散性
9、, 这样实际组装电路的电特性就不可能与标称值模拟的结果完全相同, 也呈现出一定的分散性。为了模拟实际生产中因元器 件 值 的 分 散 性 所 引 起 的 电 路 特 性 分 散 性, PSP ICE 模拟软件提供了蒙特卡诺分析功能。蒙特卡诺分析的目的是了解电路特性的统计分布规律, 通过与规范值相比较, 就可以得到满足规范要求的电路所占的比例成品率。也就是说 , 通过对电路进行蒙特卡诺分析可以达到成品率分析的目的。电路优化设计时, 在满足一定的成品率的基础上, 应使各元器件的变化范围尽量的大, 即元器件容差范围尽量大、精度尽量低, 这样可降低产品的成本。在进行蒙特卡诺分析时, 首先要根据实际情况
10、确定元器件值分布规律, 然后多次“重复”进行指定的电路特性分析, 每次分析时采用的元器件值都从元器件值分布中随机抽样 , 这些元器件值不会完全相同 , 从而较好地代表了实际变化情况。当元器件值分布规律确定后, 如何描述其变化规律成为首要问题。描述元器件参数的变化规律主要从以下四方面来考虑 : 要考虑哪些参数的变化。参数按什么模式变化。参数变化服从什么分布。变化范围多大等。在 PSP ICE 中 , 这些问题都是通过对元器件模型参数的设置完成的。其中有几个在模拟分析中要特别注意的问题: 确定需要变化的参数必须用 PSP ICE 中专门提供统计分析用的元器件符号库 BR EA KOU T 中的符号
11、。 PSP ICE 中仅提供了正态分布和均匀分布两种分布模型, 一般元器件的分布都属于正态分布, 但针对个别特殊情况, PSP ICE 软件也提供了分布规律设置功能, 供用户将符合实际情况的参数变化添加进去。参数变化的模式是指多个元器件值按同一变化规律变化相同的值 (LO T ) , 还是这几个元器件值各自独立变化 (D EV ) 两种情况 , 其中 LO T 情况主要是针对集成电路中的元器件, 如硼扩电阻等。在进行蒙特卡诺分析时 , 可以设置随机抽样时产生随机数所用的“种子数”其值必须为 1 32767 范围内的奇数。 , 最坏情况分析是以灵敏度分析为基础的, 灵敏度分析决定了各元器件参数最
12、坏变化的方向。而灵敏度分析又是在标称值分析的基础上进行的。所谓某参数的灵敏度分析就是将该参数值扩大 ( 1 + 0. 1% ) 倍后进行一次电路分析, 将分析结果与标称值分析结果对比, 确定出使电路特性变坏的元器件 2 P SP ICE 模拟软件的统计分析模精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 6 页块 PSP ICE 模拟软件中统计分析模块有两个: 一 个是蒙特卡诺 (M on te Ca rlo ) 分析模块 , 另一个是最坏情况 (W o rst 2 se A na ly sis) 分析模块。蒙特卡 Ca 诺方法属于容差
13、分析方法的一支, 其目的是全面了解电路特性的统计规律。它利用计算机产生具有各 种概率分布的伪随机数, 并通过构造随机模型, 得 到如多元函数积分、积分方程组、线性方程组以及椭圆型偏微分方程等问题的解。蒙特卡诺求解各类问题时 , 始终将原问题与求随机函数的平均值问题联系起来。它通过在计算机上产生随机样本, 并计算不同样本下随机函数的估计量, 用这样的估计量去逼近原问题的解。最坏情况分析是指在设计参数的可行域中 , 寻找电路特性函数的最大值和最小值所对应的设计参数。最坏情况是一种极端情况, 在 实际中出现的概率极低。但是最坏情况分析的结果从一个方面反映了电路设计质量的好坏。显然 , 如果最坏情况都
14、能满足规范要求或与规范要求差距不大 , 那么将这种电路设计用于实际生产中时, 成 品率一定很高。 2 期焦慧芳等 : 混合滤波电路可制造性优化设计 273 参数变化方向即最坏变化方向。然后根据各元器件参数的容差, 按最坏变化方向对相关的元器件参数取值 , 进行电路分析 , 得到的分析结果就被称为最坏情况分析结果。相关的元器件是综合考虑有参数变化范围的元器件, 及对电路性能有直接影响的元器件来确定的 , 需要经过一定的电路分析确定。的介绍可知 , 蒙特卡诺分析模块和最坏情况分析模块仅仅是成品率分析评价的工具, 这两个模块本身并不能实现电路的可制造性优化设计, 要实现电路的可制造性优化设计, 还必
15、须结合电路结构分析和参数扫描分析才能完成可制造性优化设计。针对成品率的电路可制造性优化设计技术流程应该是 : 电路功能模拟电路结构分析蒙特卡诺分析、最坏情况分析参数扫描分析然后再一次进行蒙特卡诺分析、最坏情况分析的闭环过程, 其流程如图 1 。 3 电路的可制造性优化设计技术从上一节 PSP ICE 模拟软件的统计分析模块图 1 针对成品率的可制造性优化设计流程 F ig. 1 T he flow cha rt of the yield op ti iza tion design m 在进行实际的电路可制造性优化设计过程中, 有几个值得注意的问题: 虽然 PSP ICE 软件中蒙特卡诺分析和最
16、坏情况分析模块是进行电路可制造性优化设计的最重要的工具, 但是电路结构分析是成功的前题 , 除掌握软件工具应用技术, 更重要的是对电路结构透彻地理解和分析。通过电路结构分析确定出影响成品率的关键元件, 要对电路结构做出正确的分析 , 必须要求分析人员具有良好的电路背景知识 , 或者模拟优化工作有设计人员的参 与、配合。蒙特卡诺分析仅给出了电路性能参数的分布 , 必须根据其分布参数, 计算出成品率。计算成品率的方法有多种: 直接统计法、分布参数统计计算法及优化拟合法。直接统计法就是统计符合规范的参数所占的比例。分布参数统计计算方法, 可 以用数理统计理论中的点估计法确定分布参数, 进 而确定概率
17、分布密度函数来计算成品率。优化拟合法就是采用非线性最小二乘拟合算法, 优化提取母体分布的分布参数 , 然后用概率分布密度函数来计算成品率。从工程应用角度考虑, 三种方法的计算结果差别不大。从数理统计原理考虑, 采用优化提取方法得到的结果应该更符合实际情况。笔者已开发了相应软件, 自动完成优化提取工作, 本文后面给出的成品率计算方法都是采用优化提取方法计算得到的。蒙特卡诺分析有可能出现比最坏情况 274 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 6 页固体电子学研究与进展 25 卷分析还差的情况, 这是因为蒙特卡诺 (M C ) 分
18、析中电路元件参数的变化范围, 如1% , 并不是其变化范围的绝对值。在 M C 分析中 , 元件参数值是以这个范围为标准偏差, 按照正态分布来随机取值的。所以, 不可避免的会有个别元件参数值的变化范围超出这个限制 , 从而导致了电路整体性能比最坏情况分析时的结果还差。 4 应用实例对某厂生产的带通滤波电路进行了针对成品率的可制造性优化设计。在带通滤波器生产中 , 影 响成品率的因素有多种, 包括高低端截止频率、传 输比、带内波动、带外衰减等电路特性指标都会影响产品的成品率, 但是实际生产中发现影响成品率最为明显的还是 “相位一致性”这个特殊问题。相位一致性是指不同滤波电路在同一个频率点上工作时
19、的相位差异。该滤波电路要求在带通范围内, 不 同的滤波电路之间在同一频率点的相位延迟差异不能超过 2 ( 度 ) 。 显然 , 相位一致性并不是电路的一个设计指标, 在电路设计过程中并不涉及相位一致性问题。在实际生产中, 由于元器件的分散程度影响成品的相位一致性, 成为影响成品率的一个关键因素。优化设计前 , 该带通滤波电路相位一致性成品率大约在 20% 左右 , 完全不适合批量生产。利用针对成品率的可制造性优化设计技术 , 对关键元器件进行了容差设计, 使产品的成品率达 84% 以上。本文定量分析相位一致性成品率与关键元器件精度的关系 , 完成元器件的容差设计和产品的可制造性分析 , 取得提
20、高成品率和合理选定元器件精度的综合效果。通过电路结构分析, 确定出影响滤波电路相位延迟的关键元器件是一组电阻和一组电容。初始设计时 , 这些关键电阻值和电容值的容差范围都为 5% , 进行蒙特卡诺分析, 模拟由于上述关键元器件容差引起的 400 个滤波电路产品在指定频率点 ( f = 125 H z) 的相位延迟数据, 数据见图 2 。在指定频率点 ( f = 125 H z 、 000 H z 、 200 H z) 优化提取方 1 3 图 2 f = 125 H z 时初始设计相位分布直方图和正态分布拟合曲线 F ig. 2 T he in itia l design p ha se d i
21、stribu tion a t f = 125 H z and its no rm a l reg ression cu rve 表 1 指定频率点的相位一致性成品率汇总表 . Tab 1 Summary of the y ield of the pha se con sistency a t spec if ic frequenc ies f Hz T he p recision of com ponen ts Key resistances Key cap acitances Y ield % 13. 81 95. 23 19. 29 125 1 000 V a riety range 5
22、% V a riety range 5% 3 200 从表 1 可以看出 , 初始设计的相位一致性成品率在高、低端截止频率处不到 20% , 根本达不到批量生产的要求。说明初始设计关键元器件的容差范围 5% , 远远不能满足相位一致性成品率的要求。由于混合集成电路中电阻是厚膜工艺制造, 其精度可以高于电容精度 , 在容差优化设计时, 分别调整电 阻 和 电 容 的 容 差 范 围, 将 电 阻 的 精度 设 置 为 011% , 通过模拟 , 发现 011% 的电阻精度对滤波电路的相位一致性没有影响。下面的分析是在将关键电阻的精度设定为 011% 的情况下 , 为 了分 析方位 一致 性影 响
23、较 大而 对高 端处几乎没有 影响 的4 率 汇总 表。提 高到92105% 。 但是第二组电容变化范围从 1% 便, 对电路中的关键电容, 将其中对低端频率处相 个电容划分为第一组电容, 对高端频率处相位一致性影响较大而对低端处几乎没有影响精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 6 页的 4 个电容划分为第二组电容。对两组电容的精度分别进行调整, 调整的范围为 1%0. 5% , 进行蒙特卡诺分析, 结果见表 2, 电容精度变化与相位一致性成品由表 2 可见 , 在低端截止频率 125 H z 处, 第一 组电容精度从 1%
24、变到 015% , 成品率从 88. 01% 法计算出的相位一致性成品率见表 1 。 其中 f = 125 低端 H z 和 f = 3 200 H z 分别为该滤波电路的高、截止频率。 2 期焦慧芳等 : 混合滤波电路可制造性优化设计 275 . Tab 2 Summary of the y ield of the pha se con sistency versus the var iety of the prec ision of capac itance T he p recision of cap acitances 1% Y ield % 88. 01 92. 05 88. 01
25、94. 94 94. 94 96. 72 变到 015% , 成品率几乎没有变化。而在高端截止频率 3 200 H z 处, 情况正好相反。由此可见 , 第一组电容对低端频率处的相位一致性成品率影响是明显的 , 对高端几乎没有什么影响。而第二组电容则相反 , 只对高端频率处的相位一致性成品率有明显的影响。表 2 电容精度变化与相位一致性成品率汇总表 f Hz 的性能设计所不能覆盖的领域, 是与产品质量和可靠性直接相关的技术。采用该技术对提高产品的质量和可靠性有决定性的作用, 应用实例也证明了该技术是有效的、实用的。在设计和改进产品时, 推广应用针对成品率的可制造性优化设计技术, 以提高产品的质
26、量和实现其可靠性增长有非常重要的意义。参 考 文 献 1 郝跃著集成电路制造动力学理论与方法 M . 北 . T he first g roup 0. 5% 1% T he second g roup 1% 125 125 125 京教育出版社、河北教育出版社等出版社联合出版, 1995 年 11 月 2 曾志华 , 贾新章 , 刘宁 , 等. 带通滤波器的优化设计 0. 5% 1% 3200 3200 3200 1% 0. 5% 1% 和可制造性分析 J . 西安电子科技大学学报, 2003 。 3 贾新章 . O rCAD P sp ice9 实用教程 M . 西安 : 西安电 30 (
27、1) : 66269 ( 3) : 3362339 0. 5% 在实际生产中 , 提高元器件精度可以提高成品子科技大学出版社, 1999 4 龚自立 , 贾新章元器件质量与可靠性数据统计分布 . 率。但是元器件的精度越高成本也越高, 同时考虑到工艺实现的可能性, 元器件的精度是不能无限高的。因此在考虑产品的成品率要求时, 要综合考虑生产成本和实际中元器件能达到的精度。通过分析不同关键元件对相位一致性成品率的影响, 通过模拟分析的方法分别设置不同类型元器件的精度。由于生产中电阻采用激光修正技术, 可以使其精度达到 011% 。电容采用的是插件式介质片状电容, 影响其精度的因素很多, 而且对温度比
28、较敏感。如表 2 所示 , 电容精度取 1% , 可以使相位一致性成品率高于 84% 。 若将精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 6 页电容精度提高到 015% , 实 现难度很大 , 附加成本很高 , 而相位一致性成品率只提高百分之几。综合考虑成品率以及厂家实际的生产能力和生产成本, 将所有关键电阻的精度取为011% 。 所有关键电容的精度取为 1% , 相位一致性成品率大于 84% , 适合厂家进行批量生产。规 律的拟合 J . 西安电子科技大学学报, 2001 。 28 5 裴昌幸 , 刘乃安 , 刘彦明高阶滤波器最佳
29、设计与实现 . J . 西安电子科技大学学报 , 1996 。 23 ( 2) : 2822286 焦慧芳 (J I AO H u ifang ) 女 , 高工 , 西安电子科技大学微电子所在读博士。1988 年毕业于电子科技大学微电子专业, 毕 业后一直在信息产业部电子第五研究所从事VL S I 测试、可靠性实验、障 诊 故 断、设计验证、工艺可靠性保证技术、失 效分析及失效机理研究工作。2002 年秋季考入西安电子科技大学微电子研究所攻读博士学位, 博 士论文的研究方向是 VL S I 故障诊断和可靠性技术研究。 5 结论针对成品率的可制造性优化设计技术, 是产品1 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 6 页