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集成电路设计基础


作者:丰日科技 时间:2020-07-16 浏览:73


        随着科技的不断进步,我国的集成电路设计的产品呈现出多元化的趋势,其应用领域比较广,主要包括交通、通信、信息、身份识别以及防伪等方面。虽然近些年我国集成电路设计取得了很大的进步,数量也不断增多,但是与发达国家相比,设计的水平和规模都有很大的差距。我国集成电路设计经验较少,设计的力量比较薄弱,集成电路设计行业发展任务艰巨。
 
一、集成电路设计的模式
 
        集成电路简称IC,又称为微电路、微芯片或者芯片,就是在电子行业中,把电路进行小型化,通常会设置在半导体晶圆的表面,具有成本低、体积小、重量轻、寿命长、性能好以及可靠性高的特点。
 
集成电路设计主要根据具体某条电路性能的要求,在符合电路结构、设计方案和规则的前提下,要缩小面积、降低成本、缩短时间,最终实现集成电路最优化设计;同时,还要满足基础电路的要求。就目前而言,集成电路设计可以分为正向设计和逆向设计两种模式。
 
1、正向设计
 
正向设计就是从电路原理出发,还要满足产品相关的指标和要求,来设计模块和电路,然后得到集成电路物理需要的集合图形,具体包括自上而下、自下而上以及两种方法同时采用的设计方法。
 
(1)自下而上的设计方法:

       这是集成电路系统最为基本的设计方法,设计主要流程包括系统分解——单元设计——功能块划分——子系统设计——系统总成,就是将比较复杂的系统按照逻辑结构和层次进行功能块的划分和拓扑连接的描述,指导完成底层模块的描述之后,才能自下而上验证层次的功能与扩展,保证有效完成系统的设计和验证,最后再根据底层模块的几何图形和拓扑关系完成整个布置图的设计。在设计过程中,虽然系统结构较为清楚,但是在软件开发中,很大程度上会受到硬件的限制和影响。因为软件的限制和调试往往会在硬件设计完成以后,这就有可能降低集成电路开发的效率,延长开发时间,移植性能很差,对于出现的问题或者故障不容易修改等弊端和缺点。
 
(2)自上而下的设计方法:

       这种设计方法设计思路就是从抽象到具体,从概念到实现进行设计,设计的流程主要包括行为设计——结构设计——逻辑设计——电路设计——版图设计,就是严格按照系统要求将集成电路的设计内容进行细化,从而高效完成的系统整体设计。首先,要对顶层进行功能方框的划分,同时进行仿真和纠错,还要采用硬件语言对高层次的系统进行科学合理的验证;然后,再根据逻辑综合化的工具生成门级逻辑电路网表,再通过设计布局以及版图等内容,生成符合标准的描述文件。在进行自上而下的设计过程中,仿真、调试和检查都是在高层次设计完成的。这样就可以及时有效的发现设计过程中存在的问题,可以避免出现重复设计,提高设计的质量,相对减少设计工作量。
 
(3)同时采用两种方法:
 
       随着新技术和新工艺的发展,深亚微米技术已经得到应用,导致系统级的芯片更为复杂多样。在进行物理连线过程中,容易出现延迟、噪音以及信号相互串扰的现象,从而影响到大规模集成电路的性能和功能。如果采用自上而下的设计方法,不考虑相互之间的损耗以及互联效应等,就会与实际产生比较大的差异,在很大程度上导致出现设计错误或者问题。在这种条件下,可以同时两种设计方法同时并用,因为同时并用的方法会有效考虑到设计的产品从生成到报废所用的影响因素。这就要求在进行各层次设计中要注意信息的反馈,层次的功能设计和物理设计要同时进行,最终形成科学有效的约束集,不断进行设计的优化。
 
2、逆向设计
 
       芯片的逆向设计就是在好的芯片中合理的提取技巧和知识,从而可以获得版图、电路、技术、工艺以及设计思路等重要的信息。简单的说,就是通过对芯片提取分析与研究,对整个芯片的结构等方面有一个明确的了解和掌握。这样就可以有效验证设计的框架,帮助设计者开发更高水平的产品方案。逆向分析设计思路具有重要的作用,可以帮助用户更为快速和有效的了解产品的设计原理,更为经济合理的计算成本,验证设计方案和思路是否可行;同时,还可以有效的解决较为关键的技术问题。在进行反向设计过程中,对于网表或者电路的提取是比较困难的,提取的质量会直接影响到后续的整理和LVS等方面的工作。因此,要在不断总结经验基础上,利用研发的软件,准确快速的提取网表或者电路。
 
二、芯片生产工艺
 
(1)晶圆处理:主要是在晶圆上制作电路和电子元件,比如晶体管和电容等。通产条件下,要对晶圆进行有效的处理和清理,然后氧化表面,再进行涂膜、显影以及离子植入和金属溅镀等步骤。
 
(2)晶圆针测:在完成对晶圆处理的工序后,就会形成晶粒,要求在同一晶圆上制作同一规格的产品,才能有效提高效率。在使用针测仪检测晶粒特性过程中,要进行分类,对于达不到标准的晶粒要进行淘汰放弃。
 
(3)构装:简单的说,把一个个的晶粒合理的固定在塑胶和陶瓷制的基座上面;同时,要蚀刻出接线端与底部伸出的插脚进行连接,然后再把塑胶盖盖上,最后用胶水进行封死。
 
(4)测试工序:这是进行制造芯片的最后一道工序,具体可以分为一般和特殊测试。一般工序就是测试芯片在各种环境下的功率消耗以及运行速度等特性,然后把芯片划分不同的等级;特殊测试就是对芯片进行特殊需求的测试,是否满足客户需求,而达不到标准和要求的就要被淘汰。
 
三、集成电路逆向设计工程技术
 
1、集成电路版图分析
 
集成电路的版图就是在制造过程使用的集合图形,具体包括有源区、多硅晶、接触孔以及金属层等多项内容,对版图进行科学合理的分析有有效的判断使用的技术工艺,还可以提取电路的逻辑图。
 
2、集成电路设计工艺分析
 
在实际的制作过程中,采用不同的工艺方法,就会产生不同的物理特性,集成电路就会有性能上的差异,满足不同方面的需要,就工艺方法而言,主要包括双极工艺和MOS工艺以及在二者基础上发展形成的BICMOS工艺。在进行版图绘制过程中要遵循以下几点原则。一是最小宽度原则,就是集合图形的宽度或长度要大于最小值;同时,要根据光刻和工艺的水平进行科学合理的确定。二是最小间距原则,就是在掩模板上,图形之间的间隔必须不能小于最小的间距,如果间距过小,就有可能造成短路,保证晶体管与多晶硅线不能出现交叠的现象。三是最小包围原则。就是一些层次的掩模板必须在另一些层次的掩模板里面。四是最小延伸的原则。就是在一些图形的边缘上,要适当延长最小的长度,保证能够正常顺利工作。
 
3、集成电路设计验证
 
在版图设计完成后,虽然会进行DRC检查,但还是由可能存在错误或者出现问题,因为缺少任何一个部件对整个芯片来说,都是非常致命的,所以为了保证产品的质量,还要进行LVS的验证。
 
综上所述,集成电路在社会经济发展过程中发挥着重要的作用。因此,在设计过程中,要掌握好设计的方法,做好产品质量的验证。
 
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