集成材料和工艺模拟与仿真平台
基于数字化设计仿真的射频干扰抵消SiP设计
现代电子技术Modern Electronics TechniqueJul.2023Vol.46No.142023年7月15日第46卷第14期0引言阵列化是当前电子信息装备的重要发展趋势，无论从作战需求还是从装备升级换代方面考虑，陆海空天各类平台均在向阵列化发展。
目前，射频收发机在研制上主要基于低集成度分立器件的路线，通用化程度低、体积重量大、功效抵下、性能指标一致性差，成本居高不下，无法满足先进平台的使用需求[1]。
为解决这一系列瓶颈问题，系统级封装（System in Package,SiP ）设计理念被提出。
SiP 是一种新型的封装技术，在ITRS2005中对SiP 的定义是：系统级封装是采用任何组合，将多个具有不同功能的有源电子器件与可选择的无源组件，以及诸如微机电或者光学器件等其他器件，组装成为可以提供多种功能的单个标准封装件，形成一个系统或者子系统[2]。
SiP 可以在一个衬底上集成多种芯片以及无源器件，极大地提高了电路和系统的集成度。
SiP 封装能够实现不同的工艺、异质材料的系统集成，如可实现表面贴装、有源（射频、数字、模拟等）/无源器件埋入的灵活组合。
由于可以使用多种工艺，使得在每一个应用领域都可以采用最合适的技术，如无源滤波器可以采用声表或者体声波滤波器，功率放大器可以使用GaAs 工艺，逻辑电路可以采用硅工艺等等。
由于SiP 采用“集百家之所长”的方式来进行电路系统搭建，使得研发成本大大降低，研发周期大大缩短，极大地增加了SiP 产品的竞争力。
SiP 封装技术与现有封装工艺兼容或具有继承DOI ：10.16652/j.issn.1004‐373x.2023.14.024引用格式：徐晓瑶，黄晓国，张琦，等.基于数字化设计仿真的射频干扰抵消SiP 设计[J].现代电子技术，2023，46（14）：141‐146.基于数字化设计仿真的射频干扰抵消SiP 设计徐晓瑶，黄晓国，张琦，姜建军（中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴314033）摘要：随着无线电子系统朝着阵列化、微系统化、高频化等方向发展，系统调试难、失效、故障难以排除等问题逐渐凸显，基于“经验设计+后续调试”的传统设计方法已难以满足实际需求。
集成电路设计仿真验证分享案例
3.关注新兴领域的发展动态，如量子计算、新型存储技术等，为集成电路设计带来新的创新点。
4.加强产学研合作，培养高素质的专业人才，以应对行业快速发展的人才需求。
5.开展跨学科研究，结合材料科学、生物学等领域的新进展，开拓集成电路设计的新方向。
-关键因素：市场需求的快速变化导致设计风险增加，产品上市时间成为竞争的关键。
-问题剖析：如何在不牺牲产品质量的前提下，缩短设计周期，降低开发成本。
3.人才与教育层面的挑战：集成电路设计是高技术含量的领域，对人才的专业知识和技能要求极高。
-主要挑战：行业内高端人才短缺，人才培养周期长，教育与实践之间存在较大差距。
-竞争激烈，企业间在技术、产品、服务等方面展开全方位竞争。
-市场趋势分析：未来市场将继续向高性能、低功耗、智能化方向发展，同时，物联网、人工智能等新兴领域将为集成电路设计带来新的增长点。
七、发展趋势与未来展望
集成电路设计领域在未来将持续引领科技创新，其发展趋势和前景充满机遇与挑战。
发展趋势：
1.技术微型化：随着摩尔定律的持续演进，集成电路的工艺节点将不断缩小，向3纳米甚至更先进的工艺发展。这将极大提升集成电路的性能，降低功耗，但同时也带来了一系列技术挑战，如量子效应、热管理等问题。
回顾集成电路设计领域的发展历程，从20世纪70年代的CMOS技术取代双极型晶体管，到90年代的深亚微米工艺，再到21世纪初的纳米级工艺，设计规模不断扩大，设计复杂度不断上升。当前，集成电路设计已进入16/14纳米甚至更先进的工艺节点，设计方法学也在不断演变，如基于IP核的设计、系统级设计等。
在社会中的实际应用方面，集成电路设计已深入人们生活的方方面面。以智能手机为例，其内部集成了大量的集成电路，用于实现通信、计算、摄影等功能。此外，在人工智能、物联网、大数据等新兴领域，集成电路设计的地位更是至关重要。
集成电路EDA与验证技术课件：模拟集成电路设计与仿真
模拟集成电路设计与仿真
常用命令格式： (1) DEFINE 格式：DEFINE <库名> <库路径> 例： DEFINE sample /export/cadence/IC615USER5/tools.lnx86/dfII/samples/cdslib/sa mple (2) INCLUDE 格式：INCLUDE <另外一个cds.lib 的全路径>
模拟集成电路设计与仿真
图3.2 Spectre中包含的各种仿真器
模拟集成电路设计与仿真
2．精确的晶体管模型 Spectre为所有的仿真器提供一致的器件模型，这有利于 消除不同模型间的相关性，从而得到快速收敛的仿真结果。 模型的一致性也保证了器件模型在升级时可以同时应用于所 有的仿真器。 3．高效的程序语言和网表支持 Spectre仿真平台支持多种设计提取方法，并兼容绝大多 数SPICE输入平台。Spectre可以读取Spectre、SPICE以及 Verilog-A格式的器件模型，并支持标准的Verilog-AMS、 VHDL-AMS、Verilog-A、Verilog以及VHDL格式的文本输 入。
模拟集成电路设计与仿真
5．有力衔接了版图设计平台 对于完整的版图设计平台而言，Spectre是不可或缺的重 要环节，它能方便地利用提取的寄生元件参数来快速完成后 仿真(post-layout simulation)的模拟，并与前仿真(pre-layout simulation)的模拟结果作比较，紧密的连接了电路 (Schematic)和版图(layout)的设计。 6．交互的仿真模式 设计者可以在仿真过程中快速改变参数，并在不断调整 参数和模拟之中找到最佳的电路设计结果，减少电路设计者 模拟所花费的时间。
Silvaco_TCAD_工艺仿真1解读
Silvaco学习
ATHENA工艺仿真软件
通过MaskViews 的掩模构造说明，工程师可 以有效地分析在每个工艺步骤和最终器件 结构上的掩模版图变动的影响。
与光电平面印刷仿真器和精英淀积和刻蚀
仿真器集成，可以在物理生产流程中进行 实际的分析。
与ATLAS 器件模拟软件无缝集成
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可仿真的工艺 （Features and Capabilities）
Bake CMP Deposition Development Diffusion Epitaxy
• Etch • Exposure • Imaging • Implantation • Oxidation • Silicidation
采用默认参数，二维初始化仿真： Init two.d
工艺仿真从结构test.str中开始： Init infile=test.str
GaAs衬底，含硒浓度为1015cm-3，晶向[100]： Init gaas c.selenium=1e15 orientation=100
硅衬底，磷掺杂，电阻率为10Ω.cm Init phosphor resistivity=10
定义衬底: material,orientation,c.impurities,resitivity …
初始化仿真： 导入已有的结构，infile… 仿真维度，one.d,two.d … 网格和结构，space.mult,scale,flip.y …
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初始化的几个例子
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工艺仿真流程
1、建立仿真网格 2、仿真初始化 3、工艺步骤 4、抽取特性 5、结构操作 6、Tonyplot显示
Sentaurus_Process介绍及使用
§17-1 新一代集成工艺仿真系统Sentaurus Process随着集成电路制造工艺技术的迅速发展和日趋成熟，集成电路的集成度迅速攀升，制造流程及工艺步骤也日趋复杂。
当前，硅集成电路制造工艺技术已经达到了纳米级水平，纳米电子学不断深入发展的前提是基于能够达到纳米精度的制造技术【1】。
反过来，纳米级器件的设计与研发则必须有相应的高精度工艺级仿真软件来支持。
通常，对于大尺寸器件（通常特指分立器件），由诸多工艺因素造成的层间界面应力、杂质分布蠕动、空间量子效应及载流子非线性输运等小尺寸效应[2]均可被忽略。
而对于小尺寸（泛指超大规模集成电路中的集成化器件）器件，准确地预期及评价工艺制程后的良品率、实现其所谓的工艺级可制造性设计，则必须充分地考虑小尺寸效应。
新一代集成工艺设计工具Sentaurus Process恰恰解决了纳米尺度的可制造性设计技术难题，成为当前最为先进的集成电路工艺级仿真工具。
§17-1-1 Sentaurus Process工艺级仿真工具简介[3]Sentaurus Process是Synopsys Inc.最新推出的新一代TCAD工艺级仿真工具，被业界誉为第五代集成电路制程级仿真软件，是当前最为先进的纳米级集成工艺仿真工具。
Sentaurus Process是迄今为止集成电路制程级仿真软体中最为全面、最为灵活的多维（一维、二维、三维）工艺级仿真工具。
Sentaurus Process面向当代纳米级集成电路工艺制程，全面支持小尺寸效应的仿真与模拟，用于实现甚大规模（ULSI）集成电路的工艺级虚拟设计，可显著地缩短集成电路制造工艺级设计、工艺级优化乃至晶圆芯片级产品的开发周期。
Sentaurus Process整合了Avanti的TSUPREM系列工艺级仿真工具、Taurus Process系列工艺级仿真工具及ISE的Dios系列工艺级仿真工具，将一维、两维和三维仿真集成于同一平台，在保留传统工艺级仿真工具卡命令行运行模式的基础上，又作了诸多重大改进：1.增加、设置了模型参数数据库浏览器（PDB），为用户提供修改模型参数及增加模型的方便途径；2. 增加、设置了一维模拟结果输出工具（Inspect）和二维、三维模拟结果输出工具（Tecplot SV）。
集成电路版图设计基础第五章：模拟IC版图
电源分布是版图设计中非常重要 的一个环节，它涉及到如何合理 地分布电源网络，以保证电路的
稳定性和性能。
常用的电源分布技术包括电源网 格、电源岛和电源总线等，这些 技术可以有效减小电源网络的阻
抗和减小电压降。
热设计
在模拟IC版图设计中，热设计 是一个不可忽视的环节，它涉 及到如何有效地散热和防止热 失效。
验证与测试
功能验证
通过仿真测试或实际测试，验证版图实现的电路功能是 否正确。
时序验证
检查电路时序是否满足设计要求，确保电路正常工作。
ABCD
性能测试
对版图实现的电路进行性能测试，包括参数、频率、功 耗等方面的测试。
可测性、可维护性和可靠性测试
对版图进行测试，验证其在测试、维修和可靠性方面的 表现是否符合要求。
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模拟IC版图设计流程
电路设计
确定设计目标
根据项目需求，明确电路 的功能、性能指标和限制 条件。
选择合适的工艺
根据电路需求，选择合适 的工艺制程，确保电路性 能和可靠性。
电路原理图设计
使用电路设计软件，根据 电路功能和性能要求，设 计电路原理图。
参数提取与仿真验证
对电路原理图进行仿真验 证，提取关键参数，确保 电路性能满足设计要求。
版图布局
确定版图布局方案
模块划分与放置
根据电路原理图和工艺制程要求，确定合 理的版图布局方案。
将电路原理图划分为若干个模块，合理放 置在版图上，确保模块间的连接关系清晰 、简洁。
电源与地线设计
考虑可测性、可维护性和可靠性
合理规划电源和地线的分布，降低电源和 地线阻抗，提高电路性能。
在版图布局时，应考虑测试、维修和可靠 性等方面的需求。
动态模拟与仿真
▪ 并行计算与高性能计算
1.并行计算：利用并行计算技术，可以将大规模模拟任务分配 给多个计算节点同时进行，大幅提高计算效率。 2.高性能计算：利用高性能计算设备，可以处理更复杂的模型 和更大的数据量，进一步提升模拟的精度和效率。
动态模拟与仿真的关键技术
▪ 可视化技术与用户交互
1.数据可视化：通过可视化技术，可以将模拟结果以直观的方 式呈现给用户，便于用户理解和分析。 2.用户交互：提供良好的用户交互界面，可以让用户方便地设 置参数、观察结果、调整模型，提高用户体验。
智能交通
1.在智能交通系统中，动态模拟与仿真可用于交通流量管理、路况预测和信号控制优化。 2.通过模拟不同交通场景，评估交通规划方案的有效性，提高道路通行效率。 3.结合车联网技术，实现智能交通系统的智能化和自适应。
动态模拟与仿真的应用领域
▪ 能源系统
1.动态模拟与仿真在能源系统中的应用主要包括电源调度、电网优化和新能源接入。 2.通过模拟能源系统的运行，提高电源的稳定性和经济性。 3.结合大数据技术，实现能源系统的智能化管理和预测。
动态模拟与仿真
目录页
Contents Page
1. 动态模拟与仿真简介 2. 动态模拟与仿真的应用领域 3. 动态模拟与仿真的基本原理 4. 动态模拟与仿真的关键技术 5. 动态模拟与仿真的建模过程 6. 动态模拟与仿真的软件工具 7. 动态模拟与仿真的案例分析 8. 动态模拟与仿真的未来展望
动态模拟与仿真
动态模拟与仿真的软件工具
▪ COMSOLMultiphysics
SOLMultiphysics是一款多物理场仿真软件，具有强大的动态模拟和仿真功能。该软件可以进行多种物理场 的耦合模拟，如电磁场、流体动力学、热传导等。 SOLMultiphysics具有丰富的材料库和边界条件设置，可以根据实际需求进行精确模拟。同时，该软件支持 多种网格划分和求解器选择，以保证计算精度和效率。 SOLMultiphysics具有良好的用户界面和前后处理功能，方便用户进行操作和数据分析。同时，该软件还支 持多种编程语言接口，方便用户进行二次开发和定制化应用。 以上介绍了Ansys、Simulink和COMSOLMultiphysics三款动态模拟与仿真软件工具的。这些软件工具在各自领域 具有广泛的应用和认可，可以根据实际需求选择合适的工具进行动态模拟与仿真分析。
集成电路工艺基础_实验指导书
实验指导书教学单位：电子信息学院课程名称：集成电路工艺基础面向专业：电子科学与技术电子科技大学中山学院2013年9月实验指导书实验名称：实验一使用ATHENA软件仿真MOS管工艺学时安排：4学时实验类别：综合性实验要求：必做￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣￣一、实验目的和任务随着IT产业的迅猛发展，微电子集成电路在通讯、计算机及其他消费类电子产品中的重要地位日益突出，而IC的生产和设计技术水平是决定IC芯片性能的两大要素。
本实验是IC生产中工艺设计的利用计算机辅助仿真的环节，是基于微电子技术应用背景和《集成电路工艺基础》课程设置及其特点而设置的。
其目的在于：通过本实验使学生能基本掌握IC工艺的通用流程，熟悉各单项工艺的基础知识；学习并掌握国际流行的工艺仿真软件A THENA的使用方法，加深对课程知识的认识。
二、实验原理介绍ATHENA是Silvaco公司开发的一种很优秀的半导体工艺模拟软件，最大的特点是可用于任何个人计算机(PC机)。
Silvaco拥有包括芯片厂、晶圆厂、IC设计企业、IC材料业者、ASIC业者、大学和研究中心等在内的庞大的国内外用户群。
许多世界知名Foundry包括台积电、联电、Jazz和X-FAB都和Silvaco 有PDK的合作。
ATHENA是Silvaco TCAD中的工艺仿真组件，除此之外，这些组件还包括交互式工具DeckBuild和Tonyplot，器件仿真工具ATLAS和器件编辑器DevEdit。
三、实验设备介绍1.工作站或微机终端一台2.局域网3.ATHENA仿真软件 1套四、实验内容和步骤1. 仿真流程DeckBuild是一个交互式、图形化的实时运行环境，在工艺和器件仿真中作为仿真平台。
DeckBuild 有仿真输入和编辑的窗口，也有仿真输出和控制的窗口。
实验中所用软件为绿色版，在目录\Silvaco\lib\Deckbuild\3.0.1.R\x86-NT中直接运行Deckbld.exe即可。
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集成材料和工艺模拟与仿真平台
随着计算机应用技术的发展，材料计算技术有了长足的进步。
科研人员开发出各式各样的材料热动力学数据库，通过选择合适的数据库，就可以计算得到需要的材料设计信息。
在集成材料和工艺仿真中，仅有热力学信息是不够的，体系的动力学信息也非常的重要。
常见的典型问题包括相变、固化、界面反应以及微结构演化等复杂物理过程，这些物理问题都涉及到复杂的热力学和动力学过程。
一般情况下，研究这一类物理问题需要创建动力学模型，而动力学模型中往往涉及热力学参数。
因此，对于集成材料与工艺仿真来说，热动力学软件与动力学模型的耦合计算至关重要。
在众多材料和工艺仿真方面的软件中，COMSOL Multiphysics以其多物理场耦合方面的优势和灵活的外部应用程序接口（API），使得COMSOL Multiphysics在多物理场求解方面展现出非凡的解决问题的能力。
中山大学黄智恒教授一直致力于集成材料与工艺模拟与仿真方面的研究，最近黄教授巧妙地将材料热力学计算软件MTDATA以及科学计算软件MATLAB，成功的应用到了COMSOL Multiphysics多物理场耦合计算中，解决了一系列材料动力学问题，在此基础上构建了以COMSOL Multiphysics为核心的集成材料与工艺仿真平台。
COMSOL Multiphysics与MATLAB的接口
COMSOL Multiphysics提供了与MATLAB的完美接口LiveLink for MATLAB。
在这种整体环境下，用户可以像在MATLAB中那样保存和运行文件，这样就给用户提供了一种可以使用别的建模方法自由地对基于模型的偏微分方程、模拟运算和结果分析进行整合的方便。
图1 运行COMSOL with MALTAB模式，不但可以让COMSOL Multiphysics调用MALTAB
内核及其包含的所有工具箱，更能够使用命令行的形式操作物理模型。
COMSOL Mul tiphysics与MTDATA的接口
由于COMSOL Multiphysics与MATLAB的无缝连接，任何一个COMSOL Multiphysics创建的模型（.mph 文件）都可以保存为MATLAB m文件，并在MATLAB环境中运行。
所以MATLAB与MTDATA的接口可以应用于COMSOL Multiphysics中。
需要注意的是COMSOL Multiphysics模型在调用MTDATA DLL中的函数和子程序时，只需要被载入（load）一次。
如果MTDATA DLL已经被载入内存中，而再次重复载入的话就会提示链接错误【1】。
图2 COMSOL Multiphysics与MTDATA、MATLAB三种软件之间的链接机制示意图【1】
集成材料与工艺仿真平台的典型应用
以Cu-Sn两元素四相(Sn、Cu6Sn5、Cu3Sn、Cu)系统为例，首先在COMSOL Multiphysics中创建有限元几何模型和划分网格（如图3）。
扩散方程通过COMSOL Multiphysics中的PDE模式的一般形式（General From）进行定义和求解。
化学势与摩尔体积利用MATLAB与MTDATA的接口进行计算，从而求解动力学过程图。
图4 相场晶体模型模拟结果【3】
COMSOL Mul tiphysics灵活的API
COMSOL Multiphysics提供了灵活应用程序外部接口，能与多种第三方软件的进行对接，可以应用于从几何模型创建到多物理场求解等多个过程。
在与其他软件的交互方面，COMSOL Multiphysics的API为用户提供了丰富的函数和方法。
在此基础上，用户可以灵活创建自己几何模型、自定义方程等。
用户通过COMSOL Multiphysics提供的API可以使用软件中全部特性和参数的接口，黄教授说，“COMSOL提供一个灵活的、通用的模拟与仿真平台，如果用户加以适当的开发，COMSOL Multiphysics可以应用于材料科学的很多计算领域中”。
图5 利用COMSOL Multiphysics模拟的材料晶体生长过程【3】
COMSOL Multiphysics是一款业界领先的科学仿真软件，主要是利用偏微分方程来对系统建模和仿真。
它的特别之处在于它的多物理场耦合处理能力。
从事专业科学研究的科研人员也可以开发具有专业用户界面和方程设置的附加模块；现在已经有的模块有化工、地球科学、电磁场、热传导、微机电系统、结构力学等模块。
软件可以在多种操作系统上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系统。
其他可选软件包有CAD输入模块、以及COMSOL化学反应工程实验室等。
更详细的介绍可参看中仿科技网站：
参考文献
【1】Z. Huang, P.P. Conway, R.C. Thomson, A.T. Dinsdale, J.A.J. Robinson. A computational interface for thermodynamic calculations software MTDATA.CALPHAD-COMPUTER COUPLING OF PHASE DI AGRAMS AND THERMOCHEMISTR Y 32(1), 129-134, 2008.
【2】COMSOL Conference 2009 Shanghai年会报告
【3】Z. Huang, P.P. Conway PP. A comparative study of numerical methods and computational tools for phase field equations of solidification. In: 2007 TMS Annual Meeting and Exhibition. Advances in Computational Materials Science and Engineering Methods, pp 1–9.
黄智恒中山大学副教授，英国拉夫堡(Loughborough Uni.)大学哲学博士；曾在英国拉夫堡大学和德国马克思普朗克钢铁研究（Max-Planck-InstitutfuerEisenforschung）所从事材料模拟工作；2008年6月回国加入中山大学。
主要研究方向：电子封装及微连接；材料热力学及动力学；材料多场物理耦合模拟；材料微结构模拟。
目前承担教育部留学回国人员科研启动基金、教育部博士点基金、广东省自然科学基金、中山大学“百人计划”科研启动等科研项目。
图3 在MATLAB与COMSOL Multiphysics中创建的几何模型和网格【1】
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