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硬件開發

集成電路設計基礎

2020-03-22

隨著科技的不斷進步,我國的集成電路設計的產品呈現出多元化的趨勢,其應用領域比較廣,主要包括交通、通信、信息、身份識別以及防偽等方面。雖然近些年我國集成電路設計取得了很大的進步,數量也不斷增多,但是與發達國家相比,設計的水平和規模都有很大的差距。我國集成電路設計經驗較少,設計的力量比較薄弱,集成電路設計行業發展任務艱巨。

一、集成電路設計的模式

集成電路簡稱IC,又稱為微電路、微芯片或者芯片,就是在電子行業中,把電路進行小型化,通常會設置在半導體晶圓的表面,具有成本低、體積小、重量輕、壽命長、性能好以及可靠性高的特點。

集成電路設計主要根據具體某條電路性能的要求,在符合電路結構、設計方案和規則的前提下,要縮小面積、降低成本、縮短時間,最終實現集成電路最優化設計;同時,還要滿足基礎電路的要求。就目前而言,集成電路設計可以分為正向設計和逆向設計兩種模式。

1、正向設計

正向設計就是從電路原理出發,還要滿足產品相關的指標和要求,來設計模塊和電路,然后得到集成電路物理需要的集合圖形,具體包括自上而下、自下而上以及兩種方法同時采用的設計方法。

(1)自下而上的設計方法:這是集成電路系統最為基本的設計方法,設計主要流程包括系統分解——單元設計——功能塊劃分——子系統設計——系統總成,就是將比較復雜的系統按照邏輯結構和層次進行功能塊的劃分和拓撲連接的描述,指導完成底層模塊的描述之后,才能自下而上驗證層次的功能與擴展,保證有效完成系統的設計和驗證,最后再根據底層模塊的幾何圖形和拓撲關系完成整個布置圖的設計。在設計過程中,雖然系統結構較為清楚,但是在軟件開發中,很大程度上會受到硬件的限制和影響。因為軟件的限制和調試往往會在硬件設計完成以后,這就有可能降低集成電路開發的效率,延長開發時間,移植性能很差,對于出現的問題或者故障不容易修改等弊端和缺點。

(2)自上而下的設計方法:這種設計方法設計思路就是從抽象到具體,從概念到實現進行設計,設計的流程主要包括行為設計——結構設計——邏輯設計——電路設計——版圖設計,就是嚴格按照系統要求將集成電路的設計內容進行細化,從而高效完成的系統整體設計。首先,要對頂層進行功能方框的劃分,同時進行仿真和糾錯,還要采用硬件語言對高層次的系統進行科學合理的驗證;然后,再根據邏輯綜合化的工具生成門級邏輯電路網表,再通過設計布局以及版圖等內容,生成符合標準的描述文件。在進行自上而下的設計過程中,仿真、調試和檢查都是在高層次設計完成的。這樣就可以及時有效的發現設計過程中存在的問題,可以避免出現重復設計,提高設計的質量,相對減少設計工作量。

(3)同時采用兩種方法:

隨著新技術和新工藝的發展,深亞微米技術已經得到應用,導致系統級的芯片更為復雜多樣。在進行物理連線過程中,容易出現延遲、噪音以及信號相互串擾的現象,從而影響到大規模集成電路的性能和功能。如果采用自上而下的設計方法,不考慮相互之間的損耗以及互聯效應等,就會與實際產生比較大的差異,在很大程度上導致出現設計錯誤或者問題。在這種條件下,可以同時兩種設計方法同時并用,因為同時并用的方法會有效考慮到設計的產品從生成到報廢所用的影響因素。這就要求在進行各層次設計中要注意信息的反饋,層次的功能設計和物理設計要同時進行,最終形成科學有效的約束集,不斷進行設計的優化。

2、逆向設計

芯片的逆向設計就是在好的芯片中合理的提取技巧和知識,從而可以獲得版圖、電路、技術、工藝以及設計思路等重要的信息。簡單的說,就是通過對芯片提取分析與研究,對整個芯片的結構等方面有一個明確的了解和掌握。這樣就可以有效驗證設計的框架,幫助設計者開發更高水平的產品方案。逆向分析設計思路具有重要的作用,可以幫助用戶更為快速和有效的了解產品的設計原理,更為經濟合理的計算成本,驗證設計方案和思路是否可行;同時,還可以有效的解決較為關鍵的技術問題。在進行反向設計過程中,對于網表或者電路的提取是比較困難的,提取的質量會直接影響到后續的整理和LVS等方面的工作。因此,要在不斷總結經驗基礎上,利用研發的軟件,準確快速的提取網表或者電路。

二、芯片生產工藝

(1)晶圓處理:主要是在晶圓上制作電路和電子元件,比如晶體管和電容等。通產條件下,要對晶圓進行有效的處理和清理,然后氧化表面,再進行涂膜、顯影以及離子植入和金屬濺鍍等步驟。

(2)晶圓針測:在完成對晶圓處理的工序后,就會形成晶粒,要求在同一晶圓上制作同一規格的產品,才能有效提高效率。在使用針測儀檢測晶粒特性過程中,要進行分類,對于達不到標準的晶粒要進行淘汰放棄。

(3)構裝:簡單的說,把一個個的晶粒合理的固定在塑膠和陶瓷制的基座上面;同時,要蝕刻出接線端與底部伸出的插腳進行連接,然后再把塑膠蓋蓋上,最后用膠水進行封死。

(4)測試工序:這是進行制造芯片的最后一道工序,具體可以分為一般和特殊測試。一般工序就是測試芯片在各種環境下的功率消耗以及運行速度等特性,然后把芯片劃分不同的等級;特殊測試就是對芯片進行特殊需求的測試,是否滿足客戶需求,而達不到標準和要求的就要被淘汰。

三、集成電路逆向設計工程技術

1、集成電路版圖分析

集成電路的版圖就是在制造過程使用的集合圖形,具體包括有源區、多硅晶、接觸孔以及金屬層等多項內容,對版圖進行科學合理的分析有有效的判斷使用的技術工藝,還可以提取電路的邏輯圖。

2、集成電路設計工藝分析

在實際的制作過程中,采用不同的工藝方法,就會產生不同的物理特性,集成電路就會有性能上的差異,滿足不同方面的需要,就工藝方法而言,主要包括雙極工藝和MOS工藝以及在二者基礎上發展形成的BICMOS工藝。在進行版圖繪制過程中要遵循以下幾點原則。一是最小寬度原則,就是集合圖形的寬度或長度要大于最小值;同時,要根據光刻和工藝的水平進行科學合理的確定。二是最小間距原則,就是在掩模板上,圖形之間的間隔必須不能小于最小的間距,如果間距過小,就有可能造成短路,保證晶體管與多晶硅線不能出現交疊的現象。三是最小包圍原則。就是一些層次的掩模板必須在另一些層次的掩模板里面。四是最小延伸的原則。就是在一些圖形的邊緣上,要適當延長最小的長度,保證能夠正常順利工作。

3、集成電路設計驗證

在版圖設計完成后,雖然會進行DRC檢查,但還是由可能存在錯誤或者出現問題,因為缺少任何一個部件對整個芯片來說,都是非常致命的,所以為了保證產品的質量,還要進行LVS的驗證。

綜上所述,集成電路在社會經濟發展過程中發揮著重要的作用。因此,在設計過程中,要掌握好設計的方法,做好產品質量的驗證。

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