Grundlagen des Layoutentwurfs elektronischer Schaltungen
Jens Lienig, Jürgen Scheible
2023, xxx pages, Springer Vieweg
 

ISBN 978-3-031-15767-7 eBook ISBN 978-3-030-39284-0
DOI
10.1007/978-3-030-39284-0


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Übersicht

 

Dieses Buch vermittelt die grundlegenden Kenntnisse für den Layoutentwurf digitaler und analoger Schaltungen. Neben den ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen werden auch Werkzeugaspekte behandelt. Das Werk befähigt Ingenieure, einen Schaltplan oder eine Netzliste in eine Layoutdarstellung zur Fertigung eines integrierten Schaltkreises (IC) oder einer Leiterplatte umzusetzen. Nach einer einleitenden Übersicht zu Fertigungstechnologien, Besonderheiten der Mikroelektronik und den Aufgaben des Layoutentwurfs behandelt das Buch in Kap. 2 zunächst die technologischen Grundlagen der IC-Fertigung. Darauf aufbauend werden nachfolgend alle Aspekte des Layoutentwurfs vertieft: Schnittstellen, Entwurfsregeln und Bibliotheken (Kap. 3), Entwurfsstile, -modelle und -flüsse (Kap. 4), Entwurfsschritte (Kap. 5), Besonderheiten des analogen IC-Entwurfs (Kap. 6) und schließlich Zuverlässigkeitsmaßnahmen (Kap. 7). Das Buch eignet sich als Lehrbuch in den Ingenieurwissenschaften und als Nachschlagewerk für Schaltungs- und Layoutentwickler in der Industrie.

 

Umschlag   Vorwort   Inhaltsverzeichnis   Index   Flyer   Errata

 

 

Bilder der Kapitel

 

Kapitel 1    Kapitel 2    Kapitel 3    Kapitel 4    Kapitel 5    Kapitel 6    Kapitel 7

 

Hinweis für Dozenten: Die Kap. 1–7 sind für die Lehre in einer zweisemestrigen Vorlesung über den rechnergestützten Layoutentwurf aufbereitet und erprobt. Für den Einsatz in einer einsemestrigen Lehrveranstaltung sollten Kap. 1 (Einführung) und Kap. 2 (Technologie) zum Selbststudium bzw. zur Wiederholung zugewiesen werden, wobei die Lehre mit Kap. 3 (Schnittstellen) beginnt, gefolgt von Entwurfsmethoden (Kap. 4) und Entwurfsschritten (Kap. 5). Alternativ bieten sich auch die Entwurfsmethoden (Kap. 4) als Startpunkt an, gefolgt von den detaillierten Entwurfsschritten in Kap. 5, zwischenzeitlich ergänzt mit Material aus den in Kap. 3 vorgestellten Schnittstellen, Entwurfsregeln und Bibliotheken.

 

 

Inhalt

 

1     Einführung   Zur Einführung gibt dieses Kapitel eine Übersicht über die Technologien der Elektronik-Fertigung, zeigt Besonderheiten der Mikroelektronik und beschreibt die Aufgabenstellung des Layoutentwurfs elektronischer Schaltungen. In Abschn. 1.1 werden die wichtigsten Fertigungstechnologien für elektronische Systeme vorgestellt: die Leiterplatten-, die Hybrid- und die Halbleitertechnologie. In Abschn. 1.2 gehen wir auf die Bedeutung und die Besonderheiten der Mikroelektronik ein und ergänzen Hinweise zur Halbleiterphysik und zur Halbleiterfertigung. In Abschn. 1.3 erläutern wir die primären Entwurfsschritte des Elektronikentwurfs und beschreiben die Aufgabenstellungen des Layoutentwurfs für integrierte Schaltungen und für Leiterplatten. Wir schließen das Einführungskapitel in Abschn. 1.4, in dem wir unsere Motivation für dieses Buch darlegen und die Organisation der folgenden Kapitel beschreiben.

1.1      Technologien der Elektronik-Fertigung

1.2      Integrierte Schaltungen

1.3      Layoutentwurf

1.4      Motivation und Aufbau dieses Buches

 

2     Halbleitertechnologie: Vom Silizium zum integrierten Schaltkreis   In diesem Kapitel befassen wir uns mit den Fertigungstechnologien für integrierte Schaltkreise, sofern sie für den Layoutentwurf relevant sind. Nach einer kurzen Einführung in die Grundlagen der IC-Fertigung (Abschn. 2.1) und das dabei verwendete Basismaterial Silizium (Abschn. 2.2) gehen wir in Abschn. 2.3 zunächst auf das für alle Strukturierungsmaßnahmen eingesetzte Verfahren der Fotolithografie ein. In Abschn. 2.4 machen wir dann theoretische Vorbetrachtungen zu einigen bei der IC-Fertigung typischen Phänomenen. Deren Kenntnis ist für das Verständnis der Prozessschritte, die wir in den Abschn. 2.5–2.8 behandeln, besonders hilfreich. In Abschn. 2.9 erläutern wir das Funktionsprinzip eines Feldeffekttransistors, dem wichtigsten Bauelement in heutigen ICs, bevor wir in Abschn. 2.10 dessen Entstehung anhand eines einfachen Beispielprozesses beobachten. Am Ende jedes Abschnitts beleuchten wir das behandelte Thema nochmals aus Sicht des Layoutentwurfs und sprechen dabei wichtige entwurfsrelevante Aspekte an.

2.1      Grundprinzip der IC-Fertigung

2.2      Grundmaterial Silizium

2.3      Fotolithografie

2.4      Abbildungsfehler

2.5      Aufttragen und Strukturieren von Oxidschichten

2.6      Dotierung

2.7      Aufwachsen und Strukturieren von Siliziumschichten

2.8      Metallisierung

2.9      Funktionsprinzip des Feldeffekttransistors

2.10    CMOS-Standardprozess

 

3     Brücken zur Technologie: Schnittstellen, Entwurfsregeln und Bibliotheken   In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit den Schnittstellen des Layoutentwurfs. Wir beginnen in Abschn. 3.1 mit der Strukturbeschreibung einer Schaltung, die als Schaltplan oder Netzliste am Anfang des Layoutentwurf steht. In Abschn. 3.2 gehen wir dann detailliert auf die Layoutdaten ein, mit denen im Layoutentwurf eines ICs gearbeitet wird und deren finaler Stand die Ausgangsdaten, das „IC-Layout“, bilden. Anschließend zeigen wir in Abschn. 3.3 den mehrstufigen Layout-Postprozess, der diese Layoutdaten in die zur Herstellung der Fotomasken benötigten Maskendaten umwandelt. Damit dieser Brückenschlag zur IC-Fertigung gelingt, sind im Layoutentwurf zahlreiche technologische Vorgaben zu berücksichtigen, die der IC-Fertiger in einer Bibliothek mit Technologiedaten zur Verfügung stellt. Die geometrischen Entwurfsregeln, deren Einhaltung die Herstellbarkeit eines IC-Layouts sicherstellt, sind ein besonders wichtiger Teil dieser Bibliothek, den wir Abschn. 3.4 besprechen. Im letzten Abschn. 3.5 gehen wir auf die für den IC- und den PCB-Entwurf typischen Bibliotheksformen ein.

3.1      Schaltungsdaten: Schaltpläne und Netzlisten

3.2      Layoutdaten: Layer und Polygone

3.3      Maskendaten: Layout-Postprozess

3.4      Geometrische Entwurfsregeln

3.5      Bibliotheken

 

4     Layoutentwurf im Überblick: Modelle, Stile, Aufgaben und Abläufe   Kapitel 2 vermittelte das technologische Grundwissen für den Entwurf und Kap. 3 zeigte, wie diese Technologien mit dem Entwurf des Layouts zusammenhängen. In Kap. 4 geben wir nun einen umfassenden Überblick über den Layoutentwurf, d. h. wie das Layout einer elektronischen Schaltung erstellt wird. Wir beginnen das Kapitel mit einer Einführung in den Entwurfsablauf (Abschn. 4.1), in Entwurfsmodelle (Abschn. 4.2) und in Entwurfsstile (Abschn. 4.3). Anschließend untersuchen wir verschiedene Entwurfsaufgaben (Abschn. 4.4), bevor wir Optimierungsziele und Randbedingungen diskutieren (Abschn. 4.5). Abschnitt 4.6 erläutert die Merkmale und Unterschiede zwischen analogen, digitalen und Mixed-Signal-Entwurfsabläufen. Abschließend stellen wir zwei Visionen für die Automatisierung des Analogentwurfs vor (Abschn. 4.7).

4.1      Entwurfsablauf

4.2      Entwurfsmodelle

4.3      Entwurfsstile

4.4      Entwurfsaufgaben und -werkzeuge

4.5      Optimierungsziele und Randbedingungen beim Layoutentwurf

4.6      Analoge und digitale Entwurfsabläufe

4.7      Visionen für die analoge Entwurfsautomatisierung

 

5     Layoutentwurf in Schritten: Von der Netzliste bis zum Layout-Postprozess  Nachdem wir in Kap. 4 den Layoutentwurf im Überblick betrachtet haben, wendet sich dieses Kapitel seinem konkreten Ablauf zu. Zunächst widmen wir uns dem Erstellen einer Netzliste, entweder mit Hilfe von Hardware-Beschreibungssprachen (HDLs) im Digitalentwurf (Abschn. 5.1) oder durch Ableitung aus einem Schaltplan, wie es im Analogentwurf üblich ist (Abschn. 5.2). Anschließend werden die Entwurfsschritte Partitionierung, Floorplanning, Platzierung und Verdrahtung im Detail vorgestellt (Abschn. 5.3). Das so erstellte Layout ist anschließend zu verifizieren. Dieser Verifikationsschritt bestätigt sowohl die funktionale Korrektheit als auch die Herstellbarkeit des Designs (Abschn. 5.4). Abschließend gehen wir kurz auf den Layout-Postprozess ein, wobei Techniken zur Auflösungsverbesserung (RET) im Vordergrund stehen, da sie sich auf den Layoutentwurf auswirken können (Abschn. 5.5).

5.1      Generierung einer Netztliste mit Hardware-Beschreibungssprachen

5.2      Generierung einer Netztliste mittels Schaltplan

5.3      Die wichtigsten Schritte beim Layoutentwurf

5.4      Verifikation

5.5      Layout-Postprozess

 

6     Besonderheiten des Layoutentwurfs analoger integrierter Schaltungen   Dieses Kapitel behandelt das für den Layoutentwurf analoger integrierter Schaltungen erforderliche Spezialwissen. Zunächst erläutern wir den Begriff des Schichtwiderstands (Abschn. 6.1) sowie die Funktion von Wannen und Sperrschichten (Abschn. 6.2). Dieses Grundlagenwissen ist für die Dimensionierung und das Verständnis von analogen Bauelementen erforderlich, die wir dann in Abschn. 6.3 behandeln. In Abschn. 6.4 zeigen wir anhand eines Beispiels, wie man Bauelemente automatisch erzeugt. In Abschn. 6.5 erläutern wir, warum ein symmetrisches Verhalten von Bauelementen für analoge integrierte Schaltungen von fundamentaler Bedeutung ist, und im letzten Abschn. 6.6 geben wir dann eine fundierte Einführung in die Layouttechniken zur Erzielung dieser elektrischen Symmetrie, das sogenannte Matching.

6.1      Schichtwiderstand: Rechnen mit Squares

6.2      Wannen

6.3      Bauelemente: Aufbau, Anschluss und Dimensionierung

6.4      Bauelementgeneratoren: Von Parametern zu Layouts

6.5      Die Bedeutung der Symmetrie

6.6      Matching-Konzepte für den analogen Layoutentwurf

 

7     Layoutmaßnahmen zur Verbesserung der Zuverlässigkeit   Dieses abschließende Kapitel fasst die Möglichkeiten eines Layoutentwerfers zusammen, die Zuverlässigkeit von Schaltungen zu verbessern. Wir beginnen mit der Darstellung von Zuverlässigkeitsproblemen, die zu vorübergehenden Fehlfunktionen von Schaltungen führen können. In diesem Zusammenhang diskutieren wir parasitäre Effekte im Silizium (Abschn. 7.1), an der Oberfläche (Abschn. 7.2) und in den Verbindungsschichten (Abschn. 7.3). Unser Hauptziel ist es zu zeigen, wie diese Effekte durch geeignete Layoutmaßnahmen unterdrückt werden können. Danach erörtern wir die wachsende Herausforderung, ICs vor irreversiblen Schäden zu bewahren. Dies erfordert die Untersuchung von Überspannungsereignissen (Abschn. 7.4) und Migrationsprozessen, wie Elektro-, Thermo- und Stressmigration (Abschn. 7.5). Auch hier präsentieren wir nicht nur die physikalischen Hintergründe dieser Schäden, sondern stellen auch geeignete Gegenmaßnahmen vor.

7.1      Parasitäre Effekte von Silizium

7.2      Oberflächeneffekte

7.3      Parasitäre Effekte in der Metallisierung

7.4      Schadensmechanismen durch Überspannungen

7.5      Migrationseffekte in der Metallisierung

 

 

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Last update: 26.12.2022