Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка библиотек сложно-функциональных блоков радиационно-стойких БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона на основе отечественной КМОП КНИ технологии уровня 0,18 0,25 мкм для создания перспективных изделий микроэлектроники СВЧ диапазона

Номер контракта: 14.578.21.0075

Руководитель: Телец Виталий Арсеньевич

Должность: Директор ИЭПЭ НИЯУ МИФИ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
большие интегральные схемы, кмоп кни, синтезаторы частоты, сверхвысокая частота, сложно-функциональный блок, базовые элементы библиотеки, радиационное воздействие, проектирование, ионизирующие излучения, тестовая схема, система автоматизированного проектирования.

Цель проекта:
1. Исследование и разработка комплекса научных/научно-технических/ технологических решений, направленных на создание библиотек сложно-функциональных блоков радиационно-стойких БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона на основе отечественной КМОП КНИ технологии уровня 0,18 0,25 мкм для создания перспективных изделий микроэлектроники СВЧ диапазона. 2. Изготовление экспериментальных образцов базовых СВЧ элементов и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот для аттестации библиотеки СФ блоков. Предварительная оценка радиационной стойкости библиотеки СФ блоков.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;
б) обоснование выбора направления исследований;
в) результаты теоретических и экспериментальных исследований;
г) обобщение и выводы по результатам ПНИ.
2. Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
3. Конструктивно-технологические принципы создания библиотеки базовых СВЧ элементов.
4. Схемно-топологические принципы создания библиотеки радиационно-стойких СФБ БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона.
5. Архитектура целочисленных и дробных синтезаторов частот СВЧ диапазона, система параметров, типовые и предельные функциональные и эксплуатационные характеристики при изготовлении в рамках КМОП КНИ технологии.
6. Состав библиотеки базовых СВЧ элементов, система параметров.
7. Состав библиотеки СФБ БИС целочисленных и дробных синтезаторов частот СВЧ диапазона, система параметров.
8. Методический подход к проектированию радиационно-стойких СФБ БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона.
9. Методика создания библиотек базовых СВЧ элементов.
10. Методика автоматизированных зондовых измерений вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и шумовых параметров элементов библиотеки.
11. Методика экстракции параметров моделей базовых элементов библиотеки.
12. Топологический проект экспериментального образца (ЭО) кристалла, содержащего базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.
13. ЭО кристаллов, содержащие базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.
14. Программа и методика экспериментальных исследований ЭО кристаллов содержащие базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.
15. Протокол экспериментальных исследований ЭО базовых СВЧ элементов и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот в диапазоне рабочих температур -60…+125°С и при радиационных воздействиях с целью определения типовых и предельных уровней радиационной стойкости.
16. Предложения по созданию функционально-полного ряда СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот с повышенной радиационной стойкостью, в рамках отечественной КМОП КНИ технологии уровня 0,18; 0,25 мкм.
17. Проект технического задания на проведение ОКР по теме «Разработка ряда радиационно-стойких БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона для систем связи, радиолокации и навигации, реализованных на структурах «кремний-на-изоляторе» с проектными нормами 0,18 мкм и выше».

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Результаты, полученные в рамках ПНИ будут использованы при разработке ряда малопотребляющих радиационно-стойких БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона, выполненных по отечественной КМОП КНИ технологии для систем связи, радиолокации и навигации, что является актуальной задачей по причине отсутствия аналогов.
Одними из ожидаемых результатов настоящих ПНИ являются обобщение имеющихся и разработка новых научных решений, в частности: методического подхода и схемно-топологических принципов проектирования библиотеки радиационно-стойких СФБ БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона; методики и конструктивно-технологических принципов создания библиотек базовых СВЧ элементов; методики экстракции параметров моделей библиотек и др. Научно-технические результаты ПНИ по своей новизне и практической значимости соответствуют современному мировому уровню в данной области.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты ПНИ будут востребованы при разработке современной СВЧ электронно-компонентной базы (ЭКБ) для различной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) аэрокосмического, ядерного, научного, промышленного, и другого специального назначения для эксплуатации в условиях повышенного фона ионизирующих излучений естественного и искусственного происхождения.

Применение БИС синтезаторов частоты СВЧ диапазона, разработанных на основе библиотек радиационно-стойких сложно-функциональных блоков СВЧ диапазона (СВЧ СФБ) даст возможность построения РЭА связи, управления, радиолокации, радиочастотной идентификации и навигации с малыми массогабаритными и высокими техническими характеристиками. Обеспечит создание наукоемкой компонентой базы и позволит, например, при использовании в составе портативных радиостанций Р168-5КН и Р-612: улучшить энергоэффективность на 20 %; снизить массогабаритные показатели на 30…50 %; сократить использование импортной ЭКБ на 20 %; улучшить электрические параметры на 10…20%; обеспечить рост показателей надежности в 1,5 раза; сократить время и стоимость разработки (модификации) аппаратуры в 1,2 раза.

Существенное улучшение массогабаритных характеристик существующей аппаратуры возможна благодаря замене большого количества дискретных компонентов на ограниченный набор СБИС или систему на кристалле. При этом стоимость разработки СБИС уменьшится в 2 раза, количество необходимых итераций (циклов изготовления) для разработки СБИС в пределе, сократится до одного.

Внедрение маршрута проектирования, измерений и испытаний СВЧ сложно-функциональных блоков, предназначенного для российского разработчика ЭКБ и РЭА, ориентированных на современные и перспективные базовые технологические процессы, обеспечит отечественным предприятиям выход на внутренний и мировой рынки.

Предполагается, что создание библиотек сложно-функциональных блоков СВЧ диапазона на основе отечественной КМОП КНИ технологии обеспечит ощутимую экономию ресурсов при выполнении цикла разработки: человеческих, временных (от полугода до года), материальных (до 30%), что позволит организовать дополнительные рабочие места не только в специализированных дизайн-центрах, но и на предприятиях-разработчиках аппаратуры, потребности которых составляют десятки рабочих мест проектировщиков твердотельной СВЧ ЭКБ.

Будут созданы реальные предпосылки для интеграции вузовской науки и производителей электронной техники и РЭА. В целом проект может послужить основой для совершенствования в ВУЗах системы подготовки разработчиков сложно-функциональных изделий СВЧ, в том числе устойчивых к воздействию ИИ, системы поддержки малого бизнеса в сфере инновационных ЭКБ и РЭА.

Текущие результаты проекта:
1. Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ:
-определена система параметров и классификация БИС синтезаторов частот (СЧ) СВЧ диапазона, рассмотрены преимущества и недостатки основных типов СЧ;
-выявлены типовые и предельные характеристики экспериментальных и серийно-выпускаемых БИС СЧ. Для разработки БИС СЧ с диапазоном рабочих частот более 3 ГГц выбрана архитектура на основе схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);
-проведен анализ типовых архитектур серийно-выпускаемых синтезаторов частот на основе схемы ФАПЧ (ФАПЧ-СЧ). Определены ключевые СФБ ФАПЧ-СЧ, такие как частотно-фазовый детектор (ЧФД), зарядно-разрядный блок (ЗРБ), делитель опорной частоты (ДОЧ), делитель частоты (ДЧ) в цепи обратной связи (ОС), схема контроля захвата фазы, регистровая схема управления, генератор, управляемый напряжением (ГУН), и фильтр нижних частот (ФНЧ).
-определены показатели стойкости и доминирующие радиационные эффекты, характерные для БИС ФАПЧ-СЧ. Установлено, что наибольшей стойкостью к дозовому и импульсному воздействию ионизирующего излучения обладают ФАПЧ, изготовленные по технологии КМОП КНИ.
2. Рассмотрен типовой маршрут проектирования радиочастотных изделий, включающий девять этапов: предварительный, системный, создание библиотеки элементов, схемотехнический, топологический, электромагнитное моделирование, верификация, подготовка к производству и экспериментальное исследование. В дополнение к базовым операциям типового маршрута предложены дополнительные процедуры оценки и обеспечения радиационной стойкости.
Проведен обзор и анализ возможностей современных инструментов, необходимых для выполнения этапов маршрута, направленных на создание библиотек базовых элементов и их моделей, расчетной оценки уровня РС: универсальных инструментов приборно-технологического моделирования, средств экстракции параметров моделей. Представлены пакеты программ (инструменты), рекомендуемые для использования на разных этапах маршрута проектирования:
-Sentaurus TCAD – пакет программ приборно-технологического моделирования для верификации или создания библиотек элементов;
-IC-CAP – пакет программ автоматизированной экстракции (восстановления) параметров моделей новых или имеющихся элементов;
-Cadence Virtuoso IC и Advanced Design System (ADS) – схемно-топологические САПР для этапов схемотехнического и топологического проектирования, электромагнитного моделирования, верификации и подготовки к производству.
Проведен анализ современного уровня развития, определены предельные характеристики и типовой состав библиотеки элементов иностранных и отечественных КМОП КНИ технологий. Установлено, что для проектирования СФБ СЧ, требуется разработка топологий и моделей МОП-транзисторов, варикапов, высокодобротных спиральных индуктивностей, охарактеризованных в диапазоне СВЧ.
Рассмотрены основные способы обеспечения радиационной стойкости БИС синтезаторов частот: конструктивно-технологические, топологические, схемотехнические и архитектурные.
На основе результатов анализа научно-технической литературы выбрано направление дальнейших исследований:
-разработка библиотек элементов, СФБ для БИС радиационно-стойких ФАПЧ-СЧ СВЧ диапазона по КМОП КНИ технологии в рамках выбранного маршрута проектирования, включающего в своем составе элементы приборно-технологического моделирования и экстракции параметров моделей элементов;
3. Рассмотрены доминирующие радиационные эффекты в СВЧ ИС, выполненных по КМОП КНИ технологии, в частности: эффекты дозового воздействия, эффекты импульсного воздействия ИИ, одиночные радиационные эффекты.
Проведен анализ существующих моделей радиационного отклика в элементах КМОП КНИ ИС СВЧ-диапазона.
Проведен анализ аналитических и системных моделей ФАПЧ-СЧ для САПР, предназначенных для определения требований к параметрам проектируемых СФБ и оценки основных параметров СЧ в целом, а также для оценки влияния деградации параметров СФБ на интегральные параметры СЧ при радиационном воздействии.
Представлена аналитическая линейная модель СЧ в частотной области для САПР ADS, позволяющая проводить оценку запаса устойчивости по фазе и определять полосу пропускания контура ФАПЧ. С помощью модели проведен анализ влияния основных источников шума на шумовые параметры СЧ. Установлено, что наибольший вклад в уровень фазового шума СЧ такие СФБ как опорный кварцевый генератор (ОКГ), ДОЧ, ДЧ в цепи ОС и ЧФД с ЗРБ вносят внутри полосы пропускания контура ФАПЧ, тогда как ГУН определяет уровень фазового шума СЧ вне полосы пропускания контура ФАПЧ. Между тем, ФНЧ вносит наибольший вклад на отстройках близких к частоте единичного усиления.
Разработана научно-методическая база для моделирования доминирующих радиационных эффектов в базовых СВЧ элементах КМОП КНИ технологии, предложены новые элементы маршрута радиационно-ориентированного проектирования, включающие операции моделирования радиационных эффектов на физическом, схемотехническом и системном уровнях, предназначенные для интеграции в типовой маршрут проектирования.
4. Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
5. Определена архитектура целочисленных и дробных синтезаторов частот СВЧ диапазона, включающая в своем составе следующие СФБ: ОКГ, ДОЧ, ДЧ в цепи ОС, СФД, ЗРБ, ФНЧ, ГУН, регистры управления, интерфейсный блок управления и блок контроля захвата фазы.
Разработаны системные модели синтезатора частот во временной и частотной областях, необходимые для функциональной верификации выбранной архитектуры, формирования требований к параметрам сложно-функциональных блоков и оценки основных параметров (уровень фазового шума, время переключения на новую частоту и уровень паразитных составляющих в спектре выходного сигнала) синтезатора частот. Разработанные системные модели предназначены для использования в составе САПР Advanced Design System ф. Keysight Technologies и содержат как библиотечные (интегрированные в САПР) поведенческие модели СФБ, так и оригинальные модели, реализованные в виде программного кода на языке Verilog-A. Предложена методика расчета параметров пассивных элементов ФНЧ, входящего в состав разработанных системных моделей синтезатора частот.
Определены системы параметров, типовые и предельные функциональные и эксплуатационные характеристики сложно-функциональных блоков синтезаторов частот СВЧ диапазона при изготовлении в рамках КМОП КНИ технологии уровня 0,18-0,25 мкм.
6. Определен базовый набор библиотеки сложно-функциональных блоков целочисленных и дробных синтезаторов частот СВЧ диапазона, включающий в себя ГУН; предварительный делитель частоты (ПДЧ), являющийся базовым элементом ДЧ в цепи ОС; счетчики-делители, являющиеся базовыми элементами ДОЧ и ДЧ в цепи ОС; ЧФД; ЗРБ; блок контроля захвата фазы; интерфейсный блок и регистры управления.
Исследованы принципы работы и проведен сравнительный анализ типовых структурных и электрических схем базовых сложно-функциональных блоков синтезаторов частот СВЧ диапазона, выявлены достоинства и недостатки наиболее распространенных схем построения ГУН; ДЧ в цепи ОС; ПДЧ; ЧФД; ЗРБ и блока контроля захвата фазы.
С использованием разработанных системных моделей для САПР Advanced Design System ф. Keysight Technologies, основанных на поведенческих моделях логических элементов, реализованных в виде программного кода на языке Verilog-A, подтверждена функциональная состоятельность предложенных схем построения ПДЧ; счетчиков-делителей; ДЧ в цепи ОС и ДОЧ.
7. Определен состав базовых СВЧ элементов, включающий радиочастотные n-МОП и p-МОП транзисторы, варикапы на основе МОП транзисторов (МОП варикапы), резисторы, конденсаторы на основе структуры «металл-изолятор-металл» (MIM конденсаторы), интегральные катушки индуктивности, микрополосковые линии передачи, контактные площадки. Проведен анализ системы параметров и способов реализации базовых СВЧ элементов в монолитном исполнении.
8. На основе результатов анализа литературных источников и расчетного моделирования в САПР, разработан методический подход и схемно-топологические принципы проектирования библиотеки радиационно-стойких СФБ ГУН и ПДЧ БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона.
9. Разработаны методики и конструктивно-технологические принципы создания библиотек базовых СВЧ элементов для КМОП КНИ технологии.
10. Выполнено проектирование библиотеки базовых СВЧ элементов (n-МОП и p-МОП транзисторов, МОП варикапов, MIM конденсаторов, резисторов, интегральных катушек индуктивности, микрополосковой линии передачи, контактных площадок).
11. Выполнено проектирование схем и топологий базовых СВЧ элементов и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.
12. Изготовлены экспериментальные образцы (ЭО) кристаллов, содержащих базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.
13. Разработана программа и методика экспериментальных исследований ЭО кристаллов, содержащих базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.
14. Подготовлены промежуточные отчеты о ПНИ.