集成电路设计与MPW流片介绍new2

1、集成电路设计与集成电路设计与MPW投片介绍投片介绍集成电路设计与集成电路设计与MPW投片介绍投片介绍一、目的一、目的二、内容与选题二、内容与选题三、要求三、要求四、预期成果四、预期成果一、目的一、目的 培养学生的工程设计意识,启发学生的创新思想 使学生全面了解集成电路设计、制造、封装、测试的完整芯片制成技术。 提高综合运用微电子技术知识的能力和实践能力。 指导学生如何利用现代的EDA工具设计集成电路。 掌握资料查询、文献检索及运用现代信息技术获取相关信息的基本方法；具有一定的设计，创造实验条件，归纳、整理、分析设计结果，撰写论文，参与学术交流的能力。重要性重要性IT业最最核心的核心技术业最最核

2、心的核心技术 计算机网络通信计算机网络通信 微电子技术及芯片设计与制造技术微电子技术及芯片设计与制造技术 IC设计单位共设计单位共200多家，多家，IC设计从业人员仅设计从业人员仅3000多人多人 2010年中国年中国IC产业对产业对IC设计工程师的需求量将达设计工程师的需求量将达到到35万人万人 IC人才要求人才要求 多样性多样性 设计、掩模、芯片制造、封装、测试、材料、设备 复合性复合性 IC电路与系统知识的复合、制造中工艺与设备的复合、工艺中的物理与化学的复合 代层性代层性 由于IC产品数年就要更新换代一次，而且每更新一次产品，都有新的、特殊的技术（工艺及设计）产生 创造性创造性 目前目

3、前mpw开展的情况开展的情况台湾地区每年台湾地区每年 几千项几千项 学校学校 企业企业国内国内 清华大学清华大学 mos集成电路设计与实践集成电路设计与实践 通过鉴定申报国家级教学成果奖通过鉴定申报国家级教学成果奖杭州电子科技大学杭州电子科技大学东南大学东南大学 1、集成电路芯片设计概论、集成电路芯片设计概论2、 MPW介绍介绍3、选题、选题二、设计内容与选题二、设计内容与选题集成电路芯片集成电路芯片当今人类智慧结晶的最好载体，其强大无比的当今人类智慧结晶的最好载体，其强大无比的功能产生于：功能产生于：重要的材料特性重要的材料特性重大的理论发现重大的理论发现奇特的结构构思奇特的结构构思巧妙的技

4、术发明巧妙的技术发明孜孜不倦的工艺实验孜孜不倦的工艺实验集成电路设计者就是这一系列理论和技术的集集成电路设计者就是这一系列理论和技术的集成者成者芯片设计要求芯片设计要求1、功能正确、功能正确,并在一次流片后就年达到设计要求并在一次流片后就年达到设计要求.2、电学性能经过全面优化、电学性能经过全面优化,特别在速度和功耗方面特别在速度和功耗方面3、芯片面积尽可能小、芯片面积尽可能小,以降低制造成本以降低制造成本4、可靠高、可靠高,在工艺制造允许的容差范围内仍能正常工作在工艺制造允许的容差范围内仍能正常工作5、在制造过程中和完成后能全面和快速地进行测试、在制造过程中和完成后能全面和快速地进行测试 时

5、效性时效性 无误性无误性 可测性可测性 接口接口微电子学研究内容微电子学研究内容器件物理器件物理电路与系统设计电路与系统设计现代制造技术现代制造技术强化实践性教学环节：包括计算机上机训强化实践性教学环节：包括计算机上机训练、生产实习、课程设计、毕业设计等。练、生产实习、课程设计、毕业设计等。进行进行MPW工程流片。工程流片。 微电子器件物理基础微电子器件物理基础双极器件和双极器件和mos器件为主线器件为主线器件物理研究（包括小尺寸效应）器件物理研究（包括小尺寸效应）器件结构、工作原理以及设计方法器件结构、工作原理以及设计方法 新型微电子器件与特种微电子器件新型微电子器件与特种微电子器件太阳能电

6、池太阳能电池集成电路与系统设计集成电路与系统设计 设计方法、电路结构、设计方法、电路结构、 CAD模拟仿真模拟仿真 MOS电路与系统电路与系统 主流技术主流技术低压、低功耗和多功能集成低压、低功耗和多功能集成 双极电路与系统双极电路与系统 高速、驱动能力强高速、驱动能力强 BICMOS技术技术 模拟集成电路模拟集成电路信息化的关键技术信息化的关键技术SOC 必不可少必不可少结构多样性结构多样性-设计者的智慧设计者的智慧与工艺密不可分与工艺密不可分赶超国外赶超国外模拟集成电路设计考虑模拟集成电路设计考虑现代集成电路设计与制造技术流程现代集成电路设计与制造技术流程 包括版图设计、工艺设计以及测试分

7、析等各个环节包括版图设计、工艺设计以及测试分析等各个环节全面提高分析解决工程技术问题的能力全面提高分析解决工程技术问题的能力 设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制芯片制造过程造过程封装封装测试测试系统需求系统需求设计人才必备知识设计人才必备知识系统设计知识系统设计知识电路设计知识电路设计知识常用工具知识常用工具知识1、集成电路系统设计、集成电路系统设计PDP电源系统概况关键模块功能分析功率芯片和功率器件要求PDP控制电源功能 PDPPDP电源是进行电源是进行AC-DC,DC-DCAC-DC,DC-DC输出多组直流电压的大功率开关输出多组直流电压的大功率开关电源

8、，其调节范围宽，电压高，纹波小，噪声低；电源，其调节范围宽，电压高，纹波小，噪声低； 提供控制板、接口板等部件的提供控制板、接口板等部件的5 5V V、9V9V、12V12V电压和电压和32V32V音频电音频电压；压； 向向PDPPDP驱动电路提供维持电压和扫描电压；驱动电路提供维持电压和扫描电压； 采用了采用了PFCPFC技术，使得电源能在输入电压技术，使得电源能在输入电压9090265265V V，505060Hz60Hz的宽范围内正常工作，而且功率因数能达到的宽范围内正常工作，而且功率因数能达到9595以上；以上； 具有过压、过流保护功能，并有严格的工作时序；具有过压、过流保护功能，并有

9、严格的工作时序；PDP电源板（TCL）布局EMI滤波器市电输入控制芯片PFC功率因数校正电路PWM控制电路耦合隔离高压VA、VS输出待机电源、低压5V、9V、12V、32V输出功能框图220V ACEMI滤波器PFC功率因数校正电路PFCVCC检测交流检测PWM控制DCDCPWM控制DCDC同步整流高压ZVS驱动待机电源PWM控制DCDC供板上芯片VCCVDD控制芯片控制芯片VS195V逻辑电压：逻辑电压：5、9、12VVA65V音频电压：音频电压：32V待机电压：待机电压：5.1V光光耦耦器器件件隔离隔离RB2RB4RD1RD0RA4、5、6RA3RA2RA7RC0RB3主主控控板板RB0R

10、D3RC1RD25VOKACOKRLYVSON工作时序工作时序主要技术指标1 1。EMIEMI滤波器滤波器2 2。PFCPFC功率因数校正功率因数校正3 3。VSVS、VAVA电源电源4 4。5.1V5.1V待机电源待机电源5 5。5V-32V5V-32V工作电源工作电源6 6。主控芯片。主控芯片1）EMI滤波器电路图AC220V输入之后，滤除电网中的电磁干扰，包括共模干扰与串扰。2）PFC的应用电路PFC芯片根据前馈与反馈波形，产生PWM调制信号，控制开关管的通断，以达到输入电流跟随输入电压，改善功率因数。开关管栅极受PWM信号控制，利用管子的通断对电感冲放电，调整输入电流。PWM驱动控制功

11、率管寻址电压Va采样反馈变压器整流滤波PFC模块寻址电压VA工作流程图相同点：都将PFC输出DC电压通过逆变和滤波电路分别得到VS和VA，再由采样 反馈控制PWM驱动来稳定VS和VA输出；不同点：VS的逆变模块是由PWM驱动芯片KA7553 输出给UC3715产生ZVS的互 补驱动信号，再通过高压浮动栅驱动芯片IR2113实现零电压软开关，以 控制功率MOS；VA的逆变由PWM芯片KA7552直接控制功率MOS开关。PWM驱动控制互补驱动维持电压VS栅驱动整流滤波采样反馈PFC模块维持电压VS工作流程图功率管变压器3）VS、VA模块分析4）5.1V待机电路待机电源工作流程图待机电源工作流程图K

12、A5M0380是采用电流模式的PWM控制开关电源芯片，内部封装了一个工艺要求比较高的功率开关管。该芯片被广泛用于在数码产品的电源系统。变压器T1AC 220V整流滤波5.1V-STBYPWMKA5M0380R采样反馈5）5V32V工作电压PFC整流滤波软启动PWMKA7552稳压器变压器T25VSC9VSC12VSC24V/32V采样反馈微处理器532V电压（逻辑、音频）工作流程电压（逻辑、音频）工作流程图图5-32V电压产生原理和VA差不多，只是变压器副线圈采用多个稳压器来实现不同电压的输出。6）主控芯片 起控制作用，和整个电视机的总控电路通讯，安排电源板上各个电源建立的时序并进行监控。 现

13、在分析出如下功能：RA2：监控VS；RA3：监控VA；RA4：监控5V；RA5：监控12V； RA6：监控9V；RA7：监控32V；RB2：监控供给PFC芯片的VCC； RB3：监控供给PWM芯片的VCC； RB0：交流检测RD0：控制PFC芯片的使能端；RD1：控制VS、VA产生电路中的PWM芯片KA7553和KA7552； RB4：控制低压直流产生电路中的PWM芯片KA7552； RA1：悬空；RD2：向总控电路输出ACOK；RC1：向总控电路输出5VOK；RD3：接收总控电路的VSON； RC0：接收总控电路的RLY； Xout、Xin：外接晶振；VSS：接地；RESET：接复位电路；

14、VDD：电源，接待机电源；RA0：控制LED1； RB1：控制LED2；主要功率芯片与功率MOS管功能模块功能模块芯片与芯片与MOS管管参数与功能参数与功能PFC电路电路UC3854(TI)75V275V范围内功率因数校正范围内功率因数校正26N50Q（IXYS）500V、26A、300W、0.2功率功率MOS管管高压高压VA、VS产生电路产生电路KA7553(F)18V1.5A开关电源控制器；占空比开关电源控制器；占空比70KA7552 (F)18V1.5A开关电源控制器；占空比开关电源控制器；占空比46UC3715 (TI)3V2A同步整流和同步整流和ZVS的驱动控制的驱动控制IR2113

15、 (IR)600V2A高压浮置栅驱动，实现高压浮置栅驱动，实现ZVS32N50Q（IXYS）500V、32A、416W、0.16功率功率MOS管管K2564(SHINDENGEN)600V、8A、50W、1.5功率功率MOS管管低压低压5.1V待机待机电源、逻辑电电源、逻辑电压产生电路压产生电路KA5M0380R (F)800V3A PWM控制内部功率开关管控制内部功率开关管K2674(SHINDENGEN)900V、7A、100W、0.9功率功率MOS管管78系列稳压芯片系列稳压芯片32V、24V、12V、9V、5V稳定电压稳定电压关键技术难点 EMI技术（电磁干扰滤波）技术（电磁干扰滤波）

16、 PFC技术（功率因子校正）技术（功率因子校正） PWM技术（脉宽调制）技术（脉宽调制） ZVS与高压驱动技术（零电压转换）与高压驱动技术（零电压转换） 电源时序控制技术电源时序控制技术 过压过流保护技术过压过流保护技术系统工作原理进一步分析与定量计算（电路参系统工作原理进一步分析与定量计算（电路参数选取）数选取） 智能控制分析智能控制分析 时序定量分析时序定量分析 PFC PFC定量分析与计算定量分析与计算 A A、S S定量分析与计算定量分析与计算关键波形与关键点测试与模拟仿真关键波形与关键点测试与模拟仿真 、集成电路设计、集成电路设计 设计工具的选择设计工具的选择?决定设计的效率；决定设

17、计的效率；产品工艺选择产品工艺选择?成本、工艺、封装、设计方法、划分指标成本、工艺、封装、设计方法、划分指标等；等；电路性能提高与成本的选择电路性能提高与成本的选择 实践周期越长，经验积累越多，解决问题实践周期越长，经验积累越多，解决问题的能力越强的能力越强 设计方法 集成电路制作在只有几百微米厚的原形硅片上，集成电路制作在只有几百微米厚的原形硅片上，每个硅片可以容纳数百甚至成千上万个管芯。集成每个硅片可以容纳数百甚至成千上万个管芯。集成电路中的晶体管和连线视其复杂程度可以由许多层电路中的晶体管和连线视其复杂程度可以由许多层构成，目前最复杂的工艺大约由构成，目前最复杂的工艺大约由6 6层位于硅

18、片内部的层位于硅片内部的扩散层或离子注入层，以及扩散层或离子注入层，以及6 6层位于硅片表面的连线层位于硅片表面的连线层组成。层组成。 就设计方法而言，设计集成电路的方法可以分就设计方法而言，设计集成电路的方法可以分为为全定制、半定制和可编程全定制、半定制和可编程ICIC设计三种方式。设计三种方式。 全定制设计要考虑工艺条件，根据电路的复杂和难全定制设计要考虑工艺条件，根据电路的复杂和难度决定器件工艺类型、布线层数、材料参数、工艺方法、度决定器件工艺类型、布线层数、材料参数、工艺方法、极限参数、成品率等因素。极限参数、成品率等因素。 需要经验和技巧，掌握各种设计规则和方法需要经验和技巧，掌握各

19、种设计规则和方法,一般一般由专业微电子由专业微电子IC设计人员完成；设计人员完成； 常规设计可以借鉴以往的设计，部分器件需要根常规设计可以借鉴以往的设计，部分器件需要根据电特性单独设计；据电特性单独设计； 布局、布线、排版组合等均需要反覆斟酌调整，布局、布线、排版组合等均需要反覆斟酌调整，按最佳尺寸、最合理布局、最短连线、最便捷引脚等设按最佳尺寸、最合理布局、最短连线、最便捷引脚等设计原则设计版图。计原则设计版图。 版图设计与工艺相关，要充分了解工艺规范，根版图设计与工艺相关，要充分了解工艺规范，根据工艺参数和工艺要求合理设计版图和工艺。据工艺参数和工艺要求合理设计版图和工艺。 全定制设计要求

20、开关电源开关电源举例：cmos opamp Block diagram of a general, two-stage op ampDesign of CMOS Op Amps Steps: 1.) Choosing or creating the basic structure of the op amp. 2.) Selection of the dc currents and transistor sizes. Most of the effort of design is in this category. Simulators are used to aid the designer

21、 in this phase. The general performance of the circuit should be known a priori. 3.) Physical implementation of the design. Layout of the transistors Floorplanning the connections, pin-outs, power supply buses and grounds Extraction of the physical parasitics and resimulation Verification that the l

22、ayout is a physical representation of the circuit. 4.) Fabrication 5.) Measurement Verification of the specificationsBoundary Conditions and Requirements for CMOS Op AmpsBoundary conditions:1. Process specification (VT, K, Cox, etc.)2. Supply voltage and range3. Supply current and range4. Operating

23、temperature and rangeRequirements 1. Gain 2. Gain bandwidth,GB 3. Settling time 4. Slew rate,SR 5. Common-mode input range, ICMR 6. Common-mode rejection ratio, CMRR 7. Power-supply rejection ratio, PSRR 8. Output-voltage swing 9. Output resistance 10. Offset 11. Noise 12. Layout area小信号模型小信号模型PSRRP

24、SRR的测量与计算的测量与计算Why Should the Cascode Technique be Used? First stage - Good noise performance Requires level translation to second stage Degrades the Miller compensation Second stage Self compensating Increases the efficiency of the Miller compensation Increases PSRRHigh performance op amps一、基准电压源的用

25、途一、基准电压源的用途二、研究内容二、研究内容三、基准电压源的设计方法三、基准电压源的设计方法四、带隙基准电压源的原理四、带隙基准电压源的原理五、主要性能指标五、主要性能指标六、带隙基准电压源设计考虑六、带隙基准电压源设计考虑A/D，D/A转换器转换器电压调节器电压调节器比较器比较器集成传感器集成传感器滤波器滤波器稳压器稳压器RF等模拟电路等模拟电路低的电源电压应用低的电源电压应用高电源抑制比高电源抑制比低的温漂低的温漂低功耗和噪声低功耗和噪声BJT组成的带隙基准电压源组成的带隙基准电压源工作在亚阈值区的基准电压源工作在亚阈值区的基准电压源MOS管阈值电压管阈值电压Vth为基准的参考电压源为基

26、准的参考电压源 基准源模块分析与设计基准源模块分析与设计 基准源分为并联基准源和串联基准源，最大不同是三端串联模式电压基准不需要外部电阻，并且静态功耗要小得多。并联基准源常见的是齐纳基准源，串联基准源最常见的是带隙基准源，两者的特点见下表： 右面列出了四种常用的基准源结构：、带隙基准电压源基本工作原理4expgmSEIBTkTlnCSBETTSSIIVVVTTIIT0(4)1.5/gB EToEVm Vqm VCT ()()0.087/ToKTVqmVCTTREFBETVVKV（K约为17.2)12(ln )(1)1REFBETRVVVnR基准输出电压基准输出电压温度系数温度系数电源抑制比电源

27、抑制比电源电流电源电流噪声处理能力噪声处理能力电源电压（最低工作电压可达电源电压（最低工作电压可达1V）基准输出参考电压（基准输出参考电压（0.6V）温度系数（温度系数（20ppm/)电源抑制比（电源抑制比（50dB）功耗（功耗（30uW）电路实现电路实现版图设计版图设计采用采用0.6um CMOS工艺工艺采用采用CMOS横向寄生横向寄生BJT技术技术Q1和和Q2发射极面积之比为发射极面积之比为8电阻的电阻率尽可能低电阻的电阻率尽可能低电路尽可能对称，减小失调电路尽可能对称，减小失调三、设计工具三、设计工具 模拟电路模拟电路Simulator T-Spice Pro SmartSpice El

28、do 电路图仿真电路图仿真/物理设计环境物理设计环境 COSMOS SE/LE 数字数字/模拟混合信号仿真模拟混合信号仿真 HSPICE/NanoSim 混合信号混合信号 Simulator ICAP/4 Static Noise 解析工具解析工具 SeismIC Model Generator NeoCell 模拟电路设计工具模拟电路设计工具 MyAnalog Station 电路仿真工具电路仿真工具 Star-Hspice Star-SimStar-Time 电路图编辑器电路图编辑器 Scholar S-edit 模拟、射频及混合信号仿真模拟、射频及混合信号仿真 Cadence Analo

29、g Design Environment 层次化原理图输入工具层次化原理图输入工具 Virtuoso Composer 原理图输入原理图输入 Orcad Capture CIS, Concept HDL Capture CIS, 原理图仿真原理图仿真 Pspice NC Desktopcadence全定制全定制ic设计工具设计工具A、Virtuos Schematic Composer : IC Design Entry 它是可以进行它是可以进行混合输入的原理图混合输入的原理图 输入方式。支持输入方式。支持 vhdl/hdl语言的文本输入。语言的文本输入。B、Affirma Spectra 高

30、级电路仿真器和高级电路仿真器和hspice一类的仿真器。一类的仿真器。C、Virtuos Layout Editor版图编辑版图编辑 它支持参数化单元，应该是一它支持参数化单元，应该是一个很好的特性。个很好的特性。D、Virtuoso Layout Synthesizer 直接的直接的layout生成工具，小规模设生成工具，小规模设计环境计环境E、Assura 验证验证 环境，包括环境，包括diva、dracula验证和参数提取包验证和参数提取包 G 、ICCragtsman 布局设计的环境。在面向布局设计的环境。在面向ip的设计中比较合适。的设计中比较合适。模拟仿真过程（）模拟仿真过程（）原

31、理图输入原理图输入模拟仿真过程（）模拟仿真过程（）Spice网表激励文件网表激励文件模拟仿真过程（）模拟仿真过程（）显示仿真波形显示仿真波形、多晶圆项目工程流片、多晶圆项目工程流片 多项目晶圆多项目晶圆(Multi Project Wafer，简称，简称MPW)就是将多种具有相同工艺的集成电路设计就是将多种具有相同工艺的集成电路设计放在同一圆片上流片，流片后，每个设计项目可放在同一圆片上流片，流片后，每个设计项目可以得到数十片芯片样品。而实验费用就由所有参以得到数十片芯片样品。而实验费用就由所有参加加MPW的项目按照芯片面积分摊，极大的降低的项目按照芯片面积分摊，极大的降低了实验成本，对了实验

32、成本，对IC设计人才的培养，及新产品设计人才的培养，及新产品的开发研制均有相当大的促进作用。的开发研制均有相当大的促进作用。MPW示例示例MPW流程流程支撑工艺支撑工艺华润上华华润上华ProcessesMix Mode 0.6um DPDM CMOS Mix Mode 0.5um DPDM Depletion CMOS Logic 0.5um 5V DPDM/TM CMOSLogic 0.5um LV DPDM/TM CMOS 选题介绍选题介绍基本上机实践基本上机实践实验实验1 sun工作站及工作站及UNIX操作系统使用操作系统使用 实验实验2 集成电路设计软件使用集成电路设计软件使用 实验实

33、验3 模拟集成电路的计算机模拟与仿真模拟集成电路的计算机模拟与仿真 实验实验4 数字集成电路的计算机模拟与仿真数字集成电路的计算机模拟与仿真 实验实验5 集成电路版图设计集成电路版图设计 实验实验6 MOSIC功能和参数测试功能和参数测试 模拟部分模拟部分滤波器设计滤波器设计 Design of Filter比较器设计比较器设计 Design of Comparator高性能高性能CMOS运放运放 High performance op amps high unity-gain bandwidth A high-speed CMOS op-amp A low-voltage CMOS op a

34、mp high CMRRLNA High-Swing锁相环回路（锁相环回路（phase-locked loop）能隙参考电压源能隙参考电压源 (Bandgap Reference)直流电源转换器直流电源转换器(DC - DC Converter)低压差低压差 (ldo)稳定电源（稳定电源（lowdropout）数字部分数字部分高速高速4bit 全加器全加器 (High-Speed 4-Bit Adder)8位位ALU(8-bit ALU)串并转换器串并转换器改良改良Radix-2 架构之架构之4*4数组乘法器数组乘法器(A improved Radix-2 4*4array multiplier)Design a Low Power 10 bits A/D Converter8位微处理器位微处理器(8bit cpu)LCD驱动电路驱动电路 Driver Circuit 数字电路设计举例数字电路设计举例要求设计一位串并转换电路要求设计一位串并转换电路结构框图结构框图时序图时序图 集成电路芯片设计报告内容集成电路芯片设计报告内容、设计应用背景（必要性，改进创新之处）、设计应用背景（必要性，改进创新之处） 、方案论证（特点，系统架构确定，原理分析）、方案论证（特点，系统架构确定，原理分析） 、指标设计（确定工艺，参数估算）、指标设计（确定工艺，参数