Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0075

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0075
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ"
Название доклада
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
Докладчик
Сотсков Денис Иванович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Исследование и разработка комплекса научных / научно-технических / технологических решений, направленных на создание библиотек сложно-функциональных блоков (СФБ) 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 СФБ. Предварительная оценка радиационной стойкости библиотеки СФБ.
Актуальность и новизна исследования
Результаты, полученные в рамках настоящего исследования, 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 основных результатов настоящих исследований 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 настоящих исследований по своей новизне и практической значимости соответствуют современному мировому уровню в данной области.
Описание исследования

В ходе выполнения настоящих исследований:

1) На основе анализа литературных источников выявлены доминирующие радиационные эффекты (ДРЭ), свойственные ИС, изготовленным по КМОП КНИ технологии. Проведен анализ существующих моделей радиационного отклика элементов КМОП КНИ ИС и разработан подход по коррекции моделей базовых элементов с целью учета ДРЭ на этапах схемно-топологического проектирования, заключающийся во включении в модель радиационно-зависимых параметров. Представленный подход прошел успешную апробацию на примере моделирования дозовых эффектов в КНИ МОП транзисторах, в т.ч. в составе разрабатываемых СФБ.

2) Разработаны научно-методические подходы к созданию библиотек базовых элементов, включая конструктивно-технологические принципы и методики создания библиотек базовых СВЧ элементов. Разработаны методики автоматизированных зондовых измерений вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и шумовых параметров и экстракции параметров моделей элементов библиотек, предполагающие использование современных САПР экстракции параметров моделей элементов (IC-CAP), схемно-топологического проектирования (ADS, Virtuoso), электро-магнитного моделирования (Momentum). Экспериментальные исследования проводятся с использованием специализированных аппаратно-программных комплексов автоматизированных зондовых измерений и экстракции параметров моделей базовых элементов библиотек в диапазоне частот до 26,5 ГГц на базе зондовой станции Summit 12000, управляемой САПР IC-CAP.

3) С использованием разработанных научно-методических подходов и на основе исходных правил проектирования (технологический файл, DRC, LVS, правила экстракции) и цифровой библиотеки для отечественной КМОП КНИ технологии с проектной нормой 0,18 мкм, выполнено проектирование библиотеки, включающей активные и пассивные СВЧ элементы, в том числе: МОП транзисторы, МОП варикапы, спиральные интегральные катушки индуктивности, MIM конденсаторы, низкоомные резисторы, микрополосковые линии передачи и контактные площадки.

4) Проектирование схем и топологий СФБ синтезаторов частот, проводилось с использованием САПР схемно-топологического проектирования (ADS, Virtuoso) и разработанных методического подхода и схемно-топологических принципов проектирования библиотеки радиационно-стойких СФБ, включающих элементы оптимизации параметров базовых элементов, входящих в состав СФБ, оптимизации топологии и обеспечения радиационной стойкости.

5) Разработан набор системных моделей синтезаторов частот на основе схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ-СЧ) во временной и частотной областях, предназначенных для функциональной верификации выбранной архитектуры, формирования требований к параметрам СФБ и оценки основных параметров синтезатора частот в т.ч. с учетом радиационных эффектов. Предложенные системные модели предназначены для использования в составе САПР ADS и содержат как библиотечные поведенческие модели СФБ, так и оригинальные модели, реализованные в виде программного кода на языке Verilog-A.

6) Экспериментальные исследования, в т.ч. при радиационных воздействиях проводились с использованием уникальных аппаратно-программных комплексов экспериментальных исследований в коаксиальном тракте и зондовыми методами с диапазоном рабочих частот не менее 26,5 ГГц, а также уникальных испытательных комплексов на основе ускорителя электронов «АРСА», лазерного источника «Радон-5М» и изотопной установки «Гамма Панорама МИФИ».

7) Разработан и изготовлен по отечественной КМОП КНИ технологии с проектной нормой 0,18 мкм набор базовых СВЧ элементов и СФБ синтезаторов частот, включая радиочастотные МОП транзисторы A- и H-типа, варикапы, катушки индуктивности, MIM конденсатор, резистор, генератор, управляемый напряжением, предварительный делитель частоты, счетчики-делители, частотно-фазовый детектор, блок контроля захвата фазы, зарядно-разрядный блок, интерфейсный блок и регистр управления. Верификация разработанных базовых СВЧ элементов и СФБ проведена в ходе схемно-топологического моделирования и экспериментальных исследований. Установлено, что значения частоты единичного усиления и максимальной частоты генерации радиочастотных n-МОП транзистора составляют порядка 30 ГГц и 110..125 ГГц соответственно, уровни стойкости СФБ при дозовом и импульсном воздействиях ионизирующего излучения составляют не менее 250×103 ед и 4×1011 ед/с, что подтверждает возможность реализации радиационно-стойких синтезаторов частот с частотой выходного сигнала 3 ГГц и более на основе разработанной библиотеки базовых СВЧ элементов и СФБ.

Результаты исследования

1) Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.

2) Проведены патентные исследования.

3) Выбрано и обосновано направление исследований, методы, способы и средства решения поставленных задач.

4) Проведен анализ и разработана научно-методическая база для моделирования доминирующих радиационных эффектов в базовых СВЧ элементах КМОП КНИ технологии.

5) Определены типовые архитектуры целочисленных и дробных синтезаторов частот СВЧ диапазона. Разработаны системные модели синтезатора частот. Определена система параметров, типовые и предельные функциональные и эксплуатационные характеристики СФБ синтезаторов частот СВЧ диапазона при изготовлении в рамках КМОП КНИ технологии уровня 0,18; 0,25 мкм.

6) Определен базовый набор библиотеки СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот СВЧ диапазона.

7) Определен состав базовых СВЧ элементов, системы параметров.

8) Разработаны методический подход и схемно-топологические принципы проектирования библиотеки радиационно-стойких СФБ БИС синтезаторов частот СВЧ диапазона.

9) Разработаны методики и конструктивно-технологические принципы создания библиотек базовых СВЧ элементов.

10) Выполнено проектирование библиотеки базовых СВЧ элементов (транзисторов, варикапов, индуктивностей).

11) Спроектированы схемы и топологии 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 методики экспериментальных исследований ЭО кристаллов, содержащих базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот.

14) Проведены экспериментальные исследования ЭО кристаллов, содержащих базовые СВЧ элементы и СФБ целочисленных и дробных синтезаторов частот в диапазоне рабочих температур -60…+125°С и при радиационных воздействиях.

15) Разработана методика автоматизированных зондовых измерений вольт-амперных, вольт-фарадных характеристик и шумовых параметров элементов библиотеки.

16) Создана методика экстракции параметров моделей элементов библиотек.

17) Разработаны модели базовых элементов библиотек для САПР, учитывающих доминирующие радиационные эффекты.

18) Проведено системное и схемотехническое моделирование, созданы модели СФБ синтезаторов частот с учетом радиационных эффектов.

19) Проведен анализ результатов экспериментальных исследований и расчетного моделирования.

20) Разработаны предложения по созданию функционально-полного ряда СФБ с повышенной радиационной стойкостью в рамках отечественной КМОП КНИ технологии 0,18 мкм и выше.

21) Разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

22) Разработан 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».

23) Проведены обобщение и оценка полученных результатов.

24) Разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных исследований в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

Практическая значимость исследования
Результаты настоящих исследований 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 (ИИ) естественного и искусственного происхождения.
Применение БИС синтезаторов частоты СВЧ диапазона, разработанных на основе библиотек радиационно-стойких 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.
Предполагается, что создание библиотек СФБ 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.
Будут созданы реальные предпосылки для интеграции вузовской науки и производителей электронной техники и РЭА. В целом настоящие исследования могут 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.