Technische Universität Dresden
Institut für Feinwerktechnik und
Elektronik-Design

Themen für Studienarbeiten

Beachten Sie bitte auch die aktuellen Angebote vor dem Raum BAR II/26 oder fragen Sie die Arbeitsgruppenleiter nach möglichen Themen!

Entwicklung eines Verfahrens zur Transformation von Randbedingungen

Beim Entwurf analoger integrierter Schaltungen müssen eine Vielzahl von Randbedingungen berücksichtigt werden. Oftmals hängt der Zustand dieser Randbedingungen von Designparametern ab, die je nach Entwurfsschritt und verwendetem (Software-)Werkzeug nicht direkt manipuliert werden können. Um diese Randbedingungen dennoch berücksichtigen zu können, müssen sie zuerst transformiert werden. Dabei werden sie in eine Menge neuer Randbedingungen umgewandelt, die schließlich doch direkt beeinflusst werden können. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung und Untersuchung eines Verfahrens zur automatischen Transformation von Randbedingungen.

Weiterentwicklung eines Verdrahtungswerkzeuges

Integrierte Schaltungen können aus mehreren tausenden bis hunderttausenden Standardzellen bestehen, die nach der Platzierung verdrahtet werden müssen. Um diesen Prozess anhand von Teststrukturen bzw. Schaltungen besser am Institut untersuchen zu können, wurde ein eigenes Verdrahtungswerkzeug entwickelt. Ziel dieser Aufgabe ist es, die aktuelle Implementierung in C/C++ weiterzuentwickeln. Dabei soll sowohl Laufzeit und Verdrahtbarkeit verbessert werden als auch die Berücksichtigung von Randbedingungen.

Überprüfung von Entwurfsregeln auf Package-Ebene

Entwicklung eines Floorplanning-Werkzeugs

Entwicklung eines Werkzeugs zur Verdrahtung von Taktnetzen

Schnittstellennutzung bei kommerziellen Verdrahtungswerkzeugen

Kommerzielle Verdrahter sind leistungsstarke Werkzeuge für den Entwurf integrierter Schaltkreise. Sie verlegen ausgehend von einer Platzierung und der Netzliste alle Leiterbahnen im Layout. Dabei beachten sie Randbedingungen (z. B. Design Rules) und Optimierungsziele (z. B. Minimierung der Leiterbahnlänge). Über die Eingabe zusätzlicher Randbedingungen und Optimierungskriterien kann der Verdrahtungsprozess gesteuert werden.

Um ein elektromigrationsrobustes Verdrahtungsergebnis zu erzielen, sollen nun geeignete Schnittstellen zur Steuerung gängiger kommerzieller Verdrahter ermittelt werden. Ziel ist es, den Verdrahter auf elektromigrationsrobuste Leitergeometrien zu begrenzen. Dazu sind entsprechende Randbedingungen zu ermitteln, in einer für den Verdrahter verarbeitbaren Form darzustellen und auf den Verdrahtungsprozess anzuwenden.

Verbesserung eines Versuchsstandes für Elektromigrationsuntersuchungen

Am IFTE wurde ein Versuchsstand entwickelt, mit dem integrierte Schaltkreise unter Strom- und Temperaturbelastung auf ihre Elektromigrationsrobustheit untersucht werden können. Dieser war jedoch seit einiger Zeit nicht im Einsatz, da Reparatur- und Verbesserungsbedarfe bestehen. Ziel dieser Studienarbeit ist die Wiederherstellung der Funktionsfähigkeit des Versuchsstandes. Die erste Teilaufgabe ist ein Funktionstest des vorhandenen Aufbaus, um die zu ersetzenden Module zu ermitteln. Darauf aufbauend sollen geeignete Geräte (z.B. Messgeräte, Heizeinheit,…) für die Nachrüstung recherchiert werden. Abschließend ist der Aufbau in Betrieb zu nehmen und zu dokumentieren.

Untersuchung des Einflusses von Elektro-, Thermo- und Stressmigration

Durch die fortschreitende Strukturverkleinerung in der Mikroelektronik (14nm, 10nm, 7nm, ..., usw.) treten vermehrt Chipfehler auf. Ursache dafür sind oft ausgefallene Leiterbahnen aufgrund von Materialtransport. Der Materialtransport kann durch zu hohe Ströme, Temperaturen oder Stress verursacht sein. Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, welchen Einfluss Elektro-, Thermo- und Stressmigration in verschiedenen Einsatzgebieten haben. Dazu steht eine Simulationsumgebung am Institut zur Verfügung.

Finite-Elemente-Rechnung für Elektromigrationsuntersuchungen

Die Vorhersage der Lebensdauer von Leitbahnen, welche durch Elektromigration begrenzt ist, ist eine wichtige Voraussetzung für den Entwurf moderner integrierter Schaltkreise. Da für diese Vorhersage wichtige Parameter nicht exakt gemessen werden können, sind Simulationen erforderlich. Ziel der Arbeit ist es, mit Hilfe von freien Software-Paketen eine Methodik zur Berechnung Elektromigrations-relevanter Parameter zu entwickeln.

Maschinelle Lernverfahren in der Entwurfsautomatisierung

Ohne automatisierte Methoden wäre der Layoutentwurf hochkomplexer elektronischer Schaltkreise nicht möglich. Neue Herstellungstechnologien bringen jedoch immer mehr Randbedingungen mit sich, welche beim Bewerten einzelner Lösungsvarianten zu beachten sind. Dadurch steigt der Rechenaufwand innerhalb der Optimierungsalgorithmen drastisch an. Neben dem aufwendigen manuellen Erstellen reduzierter (und damit ausreichend schneller) Kostenmodelle, bieten statistische Lernverfahren die Möglichkeit kostenaufwendige Bewertungen zu "erlernen" und deren Berechnung damit wesentlich zu beschleunigen. Die Arbeit soll untersuchen, inwieweit entsprechende Ansätze in der Entwurfsautomatisierung bereits Anwendung finden. Weiterhin ist ein maschinelles Lernverfahren beispielhaft auf ein ausgewähltes Entwurfsproblem (z.B. Floorplanning) anzuwenden und einem etablierten Ansatz gegenüberzustellen.

• Recherche über maschinelle Lernverfahren in der Entwurfsautomatisierung

• Erarbeiten eines geeigneten Beispielproblems (z.B. Platzierung, Kostenbewertung)

• Lösung des Beispielproblems mithilfe eines maschinellen Lernverfahrens

Optimierung von Package-Layouts für den Mikro-Transferdruck

Moderne Anwendungsfelder wie das Internet der Dinge oder autonomes Fahren treiben die wachsende Integration unterschiedlicher Komponenten in kompakte elektronische Baugruppen immer weiter voran. Die enge Integration von Sensoren, Aktoren, analogen und digitalen Schaltkreisen benötigt geeignete Fertigungstechnologien. Eine solche neue Fertigungstechnologie ist das Micro-Transfer-Printing (µTP). µTP ermöglicht die kostengünstige Herstellung heterogener Packages (z.B. Hall-Sensor auf CMOS-Schaltkreis). Neben vielen Vorteilen stellt das µTP den Layoutentwurf jedoch vor neue Herausforderungen. So müssen beispielsweise die Layouts der Einzelbestandteile aufeinander abgestimmt sein, aber auch die Randbedingungen der Fertigungstechnologie sind zu berücksichtigen. Die Aufgabe ist die Entwicklung bzw. Implementierung von Algorithmen zum fertigungsoptimierten Layoutentwurf.

• Einarbeitung in die Fertigungstechnologie

• Beispielhafter Entwurf eines integrierten Sensors

• Recherche von (fertigungsorientierten) Co-Design Algorithmen

• Entwicklung eines auf µTP zugeschnittenen algorithmischen Ansatzes

Nutzung von Datenflussgraphen zur Beschreibung von Entwurfsabläufen

Die Entwicklung integrierter Schaltkreise basiert auf dem Zusammenwirken vieler Einzelschritte und dem Austausch von Entwurfsdaten zwischen ihnen. Fertiger bieten den Designern eine Hilfestellung, indem sie Abläufe für die verbreitetsten Entwurfswerkzeuge in Form von Skriptsammlungen zur Verfügung stellen. Diese "Flows" können dann an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. Mit zunehmender Komplexität der Technologien und der Verfügbarkeit alternativer Entwurfswerkzeuge für die einzelnen Entwurfsschritte nimmt der Umfang dieser Skripte immer weiter zu und deren Handhabbarkeit immer weiter ab. In der Arbeit ist zu untersuchen, inwieweit Entwurfsabläufe grafisch dargestellt und ausführbar gemacht werden können. Eine solche grafische Beschreibung des Flows hätte viele Vorteile, beispielsweise eine einfachere Zugänglichkeit der Parameter auch für nicht-programmierende Designer sowie die Möglichkeit einzelne Schritte auszutauschen und neu zu verknüpfen.

• Recherche von geeigneten Datenflussbibliotheken

• Erarbeiten eines beispielhaften Entwurfsablaufs (z.B. digitale Layoutsynthese)

• Entwicklung einer Software zur grafischen Bearbeitung von Entwurfsabläufen

• Umsetzen des Beispielablaufs

FEM-Simulation von HF-Wellenleitern mit freier Software

Um die Zuverlässigkeit und Störungssicherheit hochfrequenter Baugruppen zu beurteilen, können diese vor der Herstellung simuliert werden. Stand der Technik ist dabei unter anderem die Simulation per FEM (Finite-Elemente-Methode). Dabei werden die Geometrien in ein Programm importiert und vernetzt, sodass sich ein aus vielen kleinen Teilvolumen bestehendes Modell ergibt. Im Anschluss kann dieses Modell für gegebene Randbedingungen simuliert und die Ergebnisse berechnet und dargestellt werden.
Auf dem Markt erhältliche Software, wie z.B. Ansys HFSS oder Maxwell, unterliegt meist einer kommerziellen Lizenz, die zu erhöhten Kosten führt und eine Integration in eigene Umgebungen schwierig gestaltet. Ziel der Arbeit ist es daher, einen Workflow zu entwickeln, der komplett auf freier Software basiert. Dazu ist ein Überblick über Open Source-Software zu erarbeiten, die für eine HF-Analyse beliebiger Geometrien geeignet ist. Danach sind diese Simulationswerkzeuge auf ihre Eignung zu testen. Abhand der Ergebnisse ist ein Vorgehen für die Verwendung im konkreten Anwendungsfall zu entwickeln.

Modellierung und Transformation von flexiblen Leiterplatten im dreidimensionalen Raum

Flexible Leiterplatten ermöglichen die Fertigung sehr kompakter Baugruppen und sind damit aus der heutigen Baugruppenentwicklung nicht mehr wegzudenken. Ein Problem ist allerdings die vorherige Simulation, vor allem im Hinblick auf die dreidimensionale Formgebung (Verbiegung) und die als Folge auftretenden Schädigungen an der Leiterplatte. Damit die Leiterplatten im verformten Zustand simuliert werden können, ist vorher eine entsprechende Modellierung und Berechnung der Verformung nötig. Ziel der Aufgabe ist daher eine Recherche von Darstellungsmöglichkeiten (z.B. mittels NURBS) sowie die anschließende Transformation von flexiblen Leiterplatten und darauf befindlicher Leiterzüge. Gegeben sind dabei Biegelinien und -radien, anhand derer die Leiterplatten in eine gewünschte Form gebogen werden sollen. Die so gebogene Geometrie soll im Anschluss für eine Simulation der Leiterplatte im Hinblick auf Biegebeanspruchung beim Verformen herangezogen werden.

Implementierung eines energieautarken Umweltsensors für das The Things Network Drahtlose Sensornetzwerke gestatten das Einbinden von räumlich verteilten Sensoren in eine gemeinsame Kommunikationsinfrastruktur. Um niedrige Betriebskosten zu erzielen, ist außerdem der autarke Betrieb solcher Sensorknoten wünschenswert. In mehreren Vorarbeiten wurden am Institut Grundlagen für das stromsparende Messen von Umweltparametern (Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte, Lichtkenngrößen), der Energieversorgung von Mikrocontrollern aus der Umwelt (Energy Harvesting, Laderegelung, Stromversorgung) und von Beispielapplikationen für das The Things Network (TTN) erarbeitet. In der Arbeit sollen diese Ergebnisse in einem kompakten selbstversorgenden Sensorknoten für das TTN zusammengefasst werden. Dazu sind geringfügige Anpassungen an der Schaltung vorzunehmen sowie ein Mikrocontrollerprogramm zum Auslesen der Sensordaten und der Weitergabe an das Funknetzwerk zu erstellen. Die Herausforderung liegt dabei in der stromsparenden Implementierung, um mit dem vorhandenen Energiebudget auszukommen. Die Arbeit umfasst folgende Teilaufgaben: Einarbeiten in den Arbeitsstand, Schaltungsentwurf (Einarbeiten kleinerer Verbesserungen, Anpassen an aktuelle Bauelemente), Erstellen eines Layouts, Aufbau und Inbetriebnahme der Schaltung, Implementieren des Steuerprogrammes zum Auslesen der Sensordaten und deren Übertragung im TTN unter besonderer Beachtung eines niedrigen Stromverbrauchs, Charakterisieren und Dokumentation der erreichten Ergebnisse.
Ansprechpartner:	Dr.-Ing. Frank Reifegerste BAR II/32, Tel. 463 36296 frank.reifegerstetu-dresden.de
Entwicklung einer kompakten GaN-Endstufe zum Ansteuern von Peltierelementen GaN-FET sind Bauelemente, die erst seit einigen Jahren kommerziell erhältlich sind und noch einer steten Verbesserung ihrer Eigenschaften unterliegen. Aktuelle Bauelemente weisen Spannungsfestigkeiten und Stromtragfähigkeiten auf, die den Entwurf sehr kompakter Stromquellen erlauben. Am Beispiel einer bidirektionalen Stromquelle zum Treiben von Peltierelementen soll eine solche Schaltung konstruiert und aufgebaut werden, um so Kenntnisse über das schaltungstechnische Verhalten zu erlangen. Die Arbeit umfasst folgende Detailaufgaben: Einarbeiten in den Stand der Technik, Spezifizieren der Schaltungsparameter (Ausgangsstrom, Spannung, Schaltfrequenz), Schaltungsentwicklung, Bauelementerecherche, ggf. Simulation, Erstellen eines Platinenlayouts, Aufbau und Inbetriebnahme der Schaltung, Charakterisieren der erreichten Parameter, Dokumentation der Ergebnisse.
Ansprechpartner:	Dr.-Ing. Frank Reifegerste BAR II/32, Tel. 463 36296 frank.reifegerstetu-dresden.de

Entwurf eines Demonstrators für das Schwingungsverhalten von Wellen

Rotatorische Bauteile auf Wellen sind Bestandteil vieler technischer Geräte mit mecha-nischen Komponenten. Die Auslegung dieser Elemente gehört zum Grundlagenwissen jedes Konstrukteurs. Ein Teil des Entwurfsprozesses ist das Überprüfen des Schwingverhaltens des geplanten Systems, insbesondere für Optimierungen hinsichtlich Material-, Gewichts- und Kostenreduktion.

Für die anschauliche Vermittlung dieses Wissens ist ein Demonstrator notwendig, der das Schwingungsverhalten von Wellen deutlich zeigt. Dieser soll in der Studienarbeit konzipiert und aufgebaut werden. Dabei sind die wichtigsten Teilaufgaben die theoretische Be-rechnung des Schwingverhaltens mit entsprechender mechanischer Dimensionierung aller Komponenten sowie das Entwickeln eines didaktischen Konzepts hinsichtlich der Ausstattung mit Sensoren und Anzeigeelementen.
 

Ansprechpartner:	Dr.-Ing. Jens Schirmer BAR II/19, Tel. 463-33976 jens.schirmertu-dresden.de
	Dipl.-Ing. Christoph Steinmann BAR II/34, Tel. 463-32169 christoph.steinmanntu-dresden.de

Arbeitsgruppe Simulation und Optimierung

Computergestützte Toleranzsimulation mit PolitoCAT und Politopix
Für die Simulation und Optimierung von technischen Systemen müssen neben den Nennwerten auch die Toleranzen der beteiligten Parameter betrachtet werden. Bei konstruktiven Komponenten betrifft das neben deren Abmessungen auch Abweichungen der konkreten Form und Einbaulage. Die Analyse dieser Zusammenhänge ist mit herkömmlichen Handrechnungen kaum noch möglich. Deshalb ist das Interesse an computergestützten Modellierungsansätzen, sogenanntes Computer Aided Tolerancing (CAT), für solche 3D-Probleme groß.
Eine mögliche Lösung basiert auf dem Eingrenzen der Toleranzzonen durch Polytope. Dafür wurde das Open-Source-Tool „PolitoCAT“ entwickelt, das mit Hilfe des „Politopix“-Solvers umfangreiche Toleranzanalysen ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit sollen die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen dieses Ansatzes systematisch untersucht und bewertet werden.

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Letzte Änderung: 5.10.2022