Progettare IC con la simulazione numerica

La progettazione di sistemi elettronici affidabili richiede un approccio multi-step con enfasi sull’affidabilità delle simulazioni. I circuiti integrati ad alte prestazioni rappresentano gli elementi più importanti dell’industria elettronica odierna e i designer devono prestare particolare attenzione nel testare i circuiti sotto condizioni operative e di stress per ottenere sistemi affidabili. Simulazioni che analizzano il rumore, l’impatto termico sull’elettromigrazione, l’interferenza elettromagnetica e le scariche elettrostatiche sono gli aspetti fondamentali per la verifica dell’affidabilità dei circuiti. Le aziende di elettronica stanno cercando di dotare i circuiti di maggiori funzionalità e velocità in oggetti di dimensioni sempre più ridotte e la simulazione multifisica si rende indispensabile per raggiungere questi obiettivi. Il comparto automotive sta integrando sempre più componenti elettronici nei sistemi di sicurezza e infotainment, richiedendo massime accuratezza ed affidabilità dei circuiti elettronici.

L’industria sta cambiando
Nell’ultimo decennio il settore dei circuiti integrati è cambiato radicalmente, con l’inclusione di processori core, proprietà intellettuale e sottosistemi ad alta velocità. Per quanto riguarda i circuiti integrati nei dispositivi mobili i fattori critici sono le dimensioni, le performance e i consumi. I progettisti adottano l’approccio system-on-chip per soddisfare l’esigenza di funzionalità complesse in spazi ridotti, mentre le foundry sono passate a nodi più piccoli per integrare i transistor in ingombri sempre più contenuti. Il cambiamento più radicale è stato il passaggio dai transistor di massa ai multigate 3-D-FinFet nei nodi di processo avanzato. Questi transistor forniscono numerosi vantaggi tra cui una più elevata velocità operativa. Un altro trend consiste nell’integrazione di circuiti integrati multipli in un unico package. Nei prossimi anni assisteremo a ulteriori evoluzioni quali l’integrazione di circuiti integrati 3-D utilizzando silicon via, interposer e tecniche di packaging avanzate. Le esigenze di aver maggior potenza, più banda e dimensioni ridotte sono le più stringenti. È necessario dotarsi di strumenti di verifica affidabili per integrare architetture di transistor complesse, e analizzare chip, package e sistemi di co-simulazione con un approccio multifisico.

Le aspettative del mercato
Gli standard di verifica dell’affidabilità sono tipicamente dettati dall’utilizzo di un circuito integrato in uno specifico mercato. L’elettronica di consumo e la telefonia sono i mercati a maggior volume. Un cellulare, ad esempio, include modem wireless, processori, schede di memoria, moduli Gps, sensori Cmos per le immagini e controller touchscreen: tutto in uno spazio ridottissimo. Ciascuno di questi componenti deve funzionare alla perfezione singolarmente e nell’intero sistema.
Nei settori automotive, difesa e aerospazio, l’affidabilità dei prodotti è cruciale e indispensabile. Questi devono funzionare perfettamente, tollerare temperature estreme e interferenze elettromagnetiche continue rispondendo a normative molto stringenti.

Metriche per l’affidabilità dei circuiti integrati
• Elettromigrazione e affidabilità termica - L’elettromigrazione è un meccanismo ben noto nell’industria dei circuiti, che devono essere costruiti e testati perché non presentino questo difetto. In passato i test erano condotti sulla base del worst-case scenario, nelle peggiori condizioni di temperatura. Oggi è necessario testare i prodotti nel più breve tempo possibile per cui questo approccio risulta impraticabile. I circuiti più intelligenti sono basati su firmware o software in base all’utilizzo a cui sono destinati. Il tipo di software utilizzato determina le attività che dovranno essere generate sul circuito. Conoscere queste attività è importante per analizzare il rischio di elettromigrazione. Ad esempio, in uno smartphone un processore deve supportare video, audio, uso del Gps, chiamate e modalità sleep. Ogni applicazione genera un’attività differente sul circuito integrato e ciascuna modalità operativa consuma una certa percentuale di vita del dispositivo. È necessario conoscere bene questi dati per progettare in maniera ottimale i circuiti integrati. Un altro fattore importante è l’impatto termico: all’aumentare della temperatura nel circuito integrato il limite massimo di elettromigrazione diminuisce esponenzialmente. Verificare l’elettromigrazione per un circuito alla temperatura operativa può aiutare a ridurre drasticamente il numero di violazioni del fenomeno che potrebbero verificarsi. Per fare previsioni accurate bisogna anche conoscere il gradiente di temperatura ad una risoluzione in micron.

• Scariche elettrostatiche - Esd è il trasferimento di carica da un corpo all’altro che produce un ampio flusso di corrente. In un circuito integrato, una scarica elettrostatica può aumentare la corrente fino a rendere il circuito inefficiente. Le protezioni per impedire questi eventi sono solitamente poste accanto ai connettori I/O. La simulazione consente di prevedere questi fenomeni in fase di progettazione. Con la diminuzione delle dimensioni dei circuiti integrati, i margini di design per l’Esd sono drasticamente ridotti. Inoltre, l’integrazione di SoC con core multipli e moduli a segnali misti accresce la complessità di verificare le scariche elettrostatiche.

• Interferenze elettromagnetiche - Si verificano quando il campo elettromagnetico di un circuito integrato accoppiato con la geometria della piastra interferisce con le operazioni di un circuito vicino. È molto difficile simulare questo fenomeno se non con l’approccio chip-package-system. L’utilizzo della simulazione 3-D per il package consente di simulare le radiazioni prossime e lontane per filtrare e proteggere da coupling elettromagnetico. Nei settori automotive e aerospaziali i sistemi di sicurezza vengono testati in varie condizioni ambientali prima di essere assemblate nel sistema.

Da chip a sistema
Ciascun sistema elettronico consiste di circuiti integrati multipli posti sulla stessa scheda o prodotto. Perché il prodotto sia robusto, i circuiti integrati devono essere testati nel contesto del sistema elettronico il quale dev’essere validato con l’impatto dei singoli circuiti a differenti condizioni operative. Un sistema di progettazione chip-aware richiede modelli di circuito accurati per essere verificati a livello di sistema. Ad esempio, per verificare il comportamento elettronico del sistema è necessario il modello chip-power del circuito con impedenza e profili di corrente. Strumenti come SIWave di Ansys possono usare un modello Cpm per verifiche Emi a livello di sistema. Il software  Icepak si avvale di un Ctm per la simulazione termica. Inoltre, questi strumenti possono creare modelli di package utilizzabili in una simulazione transient RedHawk.

Simulazione e affidabilità dei circuiti integrati
Prevedere la vita e comprendere i meccanismi di errore è fondamentale nel processo di progettazione dei circuiti. Gli strumenti di simulazione devono consentire di valutare diversi modi operativi, condizioni ambientali e interazioni per prevedere in anticipo e con precisione le possibilità di errore. Inoltre, gli strumenti di simulazione devono stare al passo con le evoluzioni dei processi produttivi e le tecnologie di packaging 3-D. Un sistema elettronico robusto può essere sviluppato solo verificando l’impatto dei circuiti sull’intero sistema e viceversa. È necessario, quindi, dotarsi di un ambiente di cosimulazione chip-package-system che possa prevedere meccanismi complessi. E un ambiente elettronico efficiente si basa su tecniche di simulazione multifisica.

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