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Electromigration (EM) is becoming a progressively severe reliability challenge due to increased interconnect current densities. A shift from traditional (post-layout) EM verification to robust (pro-active) EM aware design - where the circuit layout is designed with individual EM-robust solutions - is urgently needed. This tutorial will give an overview of EM and its effects on the reliability of present and future integrated circuits (ICs). We introduce the physical EM process and present its specific characteristics that can be affected during physical design. Examples of EM countermeasures which are applied in today’s commercial design flows are presented. We show how to improve the EM-robustness of metallization patterns and we also consider mission proiles to obtain application-oriented current density limits. The increasing interaction of EM with thermal migration is investigated as well. We conclude with a discussion of application examples to shift from the current post layout EM verification towards an EM aware physical design process. Its methodologies, such as EM-aware routing, increase the EM-robustness of the layout with the overall goal of reducing the negative impact of EM on the circuit’s reliability.
This paper introduces a novel placement methodology for a common-centroid (CC) pattern generator. It can be applied to various integrated circuit (IC) elements, such as transistors, capacitors, diodes, and resistors. The proposed method consists of a constructive algorithm which generates an initial, close to the optimum, solution, and an iterative algorithm which is used subsequently, if the output of constructive algorithm does not satisfy the desired criteria. The outcome of this work is an automatic CC placement algorithm for IC element arrays. Additionally, the paper presents a method for the CC arrangement evaluation. It allows for evaluating the quality of an array, and a comparison of different placement methods.
Lithographical hotspot (LH) detection using deep learning (DL) has received much attention in the recent years. It happens mainly due to the facts the DL approach leads to a better accuracy over the traditional, state-of-the-art programming approaches. The purpose of ths study is to compare existing data augmentation (DA) techniques for the integrated circuit (IC) mask data using DL methods. DA is a method which refers to the process of creating new samples similar to the training set, thereby helping to reduce the gap between classes as well as improving the performance of the DL system. Experimental results suggest that the DA methods increase overall DL models performance for the hotspot detection tasks.
The hotspot detection has received much attention in the recent years due to a substantial mismatch between lithography wavelength and semiconductor technology feature size. This mismatch causes diffraction when transferring the layout from design onto a silicon wafer. As a result, open or short circuits (i.e. lithography hotspots) are more likely to be produced. Additionally, increasing numbers of semiconductors devices on a wafer required more time for the lithography hotspot detection analysis. In this work, we propose a fast and accurate solution based on novel artificial neural network (ANN) architecture for precise lithography hotspot detection using a convolution neural network (CNN) adopting a state of-the-art technique. The experimental results showed that the proposed model gained accuracy improvement over current state-of-theart approaches. The final code has been made publicly available.
Universelle OTA-Testbench
(2014)
Es wird eine universell einsetzbare Testbench zur Simulation von integrierten Schaltungen innerhalb der OTA-Schaltungsklasse (Operational Transconductance Amplifier; Transkonduktanzverstärker) vorgestellt. Transkonduktanzverstärker sind in der analogen Schaltungstechnik weit verbreitet und daher von großer Bedeutung. Sie treten sowohl als eigenständige Schaltungen innerhalb eines Chips, sowie als Bestandteil anderer Schaltungen (z.B. als erste und zweite Stufe von Operationsverstärkern) auf. Es kann davon ausgegangen werden, dass heute kaum ein analoger oder Mixed-Signal-Chip gefertigt wird, in dem keine Transkonduktanzverstärker verbaut sind. Die Entscheidungsfindung des Entwicklers bei der Auslegung eines OTAs beruht maßgeblich auf einer anwendungsspezifischen Simulation. Die Erstellung einer eigenen Testbench für jede Anwendung bedeutet allerdings einen hohen Zeitaufwand und erschwert den Vergleich der Simulationsergebnisse unterschiedlicher Schaltungsvarianten. Durch eine universelle Testbench kann zum einen der Zeitaufwand verringert werden, zum anderen können nun Simulationsergebnisse direkt miteinander verglichen werden. Hierdurch wird die Entscheidungsfindung des Entwicklers objektiviert und beschleunigt. Neben dem Vergleich unterschiedlicher Schaltungen innerhalb einer Technologie ist auch der Vergleich einer Schaltung in unterschiedlichen Technologien denkbar. Die Idee einer universell anwendbaren Testbench lässt sich auch auf andere analoge Schaltungsklassen anwenden und damit als Prinzip verallgemeinern.
Es wird das Ziel verfolgt, eine Möglichkeit für die sichere Wiederverwendbarkeit von Schaltungen aus der OTA-Schaltungsklasse bereitzustellen. Hierfür werden ausgewählte OTA-Schaltungstopologien für die "Copy-and-Paste"-Methode vorgestellt. Es wurde im industriellen Umfeld gezeigt, dass sie sich unter der Voraussetzung einer repräsentativen Topologieauswahl – vordimensioniert für den typischen Anwendungsbereich – schon in dieser Form für die Wiederverwendung eignen.
In diesem Artikel wird ein neu entwickeltes Werkzeug zur Dimensionierung von Bonddrähten im ASIC-Entwurf vorgestellt. Die Berücksichtigung aller Einflussfaktoren erlaubt eine gegenüber Handrechnungen optimierte Auslegung der Bondanordnung. Dies ermöglicht zum einen die Absicherung gegen Degradationseffekte bis hin zum Durchbrennen und garantiert so die Zuverlässigkeit über die gesamte Lebensdauer. Zum anderen wird eine aus Zuverlässigkeitserwägungen resultierende Überdimensionierung vermieden.
Das Werkzeug erlaubt die Kalkulation aller für die Auslegung von Bonddrähten relevanten Parameter. Je nach Kontext der Aufgabenstellung lassen sich die Stromtragfähigkeit für Dauerstrom oder Pulsstrombelastung, kritische Temperaturen oder die maximale Bonddrahtlänge als Ausgabegrößen berechnen. Durch diese Flexibilität und die benutzerfreundliche Integration in eine industrielle Entwicklungsumgebung ist der „Bond-Rechner“ im gesamten Entwurfsverlauf einsetzbar und leistet wertvolle Hilfestellung von ersten Abschätzungen in frühen Entwurfsphasen bis hin zur abschließenden Verifikation.
A generic, knowledge-based method for automatic topology selection of analog circuits in a predefined analog reuse library is presented in this paper on the OTA (Operational Transconductance Amplifier) example. Analog circuits of a given circuit class are classified in a topology tree, where each node represents a specific topology. Child nodes evolve from their parent nodes by an enhancement of the parent node’s topological structure. Topology selection is performed by a depth first-search in the topology tree starting at the root node, thus checking topologies of increasing complexity. The decisions at each node are based on solving equations or – if this is not possible – on simulations. The search ends at the first (and thus the simplest) topology which can meet the specification after an adequate circuit sizing. The advantages of the generic, tree based topology selection method presented in this paper are shown in comparison to a pool selection method and to heuristic approaches. The selection is based on an accomplished chip investigation.
We present a new methodology for automatic selection and sizing of analog circuits demonstrated on the OTA circuit class. The methodology consists of two steps: a generic topology selection method supported by a “part-sizing” process and subsequent final sizing. The circuit topologies provided by a reuse library are classified in a topology tree. The appropriate topology is selected by traversing the topology tree starting at the root node. The decision at each node is gained from the result of the part-sizing, which is in fact a node-specific set of simulations. The final sizing is a simulation-based optimization. We significantly reduce the overall simulation effort compared to a classical simulation-based optimization by combining the topology selection with the part-sizing process in the selection loop. The result is an interactive user friendly system, which eases the analog designer’s work significantly when compared to typical industrial practice in analog circuit design. The topology selection method and sizing process are implemented as a tool into a typical analog design environment. The design productivity improvement achievable by our method is shown by a comparison to other design automation approaches.
Ein praktikables Mittel zur Erhöhung des Automatisierungsgrads im analogen IC-Entwurf ist die Verwendung parametrisierter Zellen. Diese sogenannten pCells werden eingesetzt, um determinierte Layouts automatisch zu erzeugen, und zwar in der Regel für einzelne Bauelemente wie Transistoren oder Dioden. Der vorliegende Beitrag zeigt die Potenziale eines erweiterten pCell-Konzepts, mit dem determinierte Layouts als auch Schaltpläne für ganze Schaltungsmodule automatisch generiert werden können. Als Beispiel wird eine solche Modul-pCell für analoge Stromspiegel beschrieben, die nicht nur die Dimensionierung der Einzeltransistoren, sondern auch verschiedene Transistortypen, beliebige Spiegelverhältnisse und sogar mehrere Topologien sowie weitere Freiheitsgrade implementiert. Das dadurch erzielte Maß an Flexibilität erlaubt es, die zahlreichen schaltungstechnischen Varianten im Analogbereich abzudecken, die ansonsten oftmals Hürden für Automatisierungsansätze darstellen.
Optimization-based design automation for analog ICs still remains behind the demands. A promising alternative is given by procedural approaches such as parameterized generators, also known as PCells. We are working on a complete analog design flow based on parameterized generators for entire circuits and corresponding layout modules. Because the conventional programming of such enhanced generators is far too complicated and costly, new methods are needed to ease their development. This paper presents gPCDS (graphical PCDS), a novel tool for a designer-oriented development of schematic module generators, integrated into a common schematic entry environment. The tool is based on PCDS (Parameterized Circuit Description Scheme), a meta-language for the creation of parametrized analog circuits. Schematic module generators are a very desirable complement to layout module generators in order to achieve a seamless schematic- driven layout design flow on module level. By facilitating a way of generator development that matches a design expert’s mentality, gPCDS contributes to close this gap in the analog design flow.
Im Bereich integrierter Schaltungen (ICs) für die Fahrzeugelektronik ist in den letzten Jahren ein Trend zum Einsatz komplexer Mixed-Signal-Komponenten erkennbar. Dies führt dazu, dass ein altes Problem zunehmend in den Fokus der EDA-Entwickler rückt: Während der digitale Entwurfsfluss hoch automatisiert ist, findet der Entwurf analoger Komponenten überwiegend in einem manuellen, zeitaufwändigen und interaktiven Entwurfsstil statt. Die folgende Arbeit beschreibt ein Konzept, diesen Mangel mit Hilfe eines durchgängigen analogen Entwurfsflusses unter Verwendung so genannter Modul-Generatoren zu mildern. Der vorgestellte Ansatz zur Erzeugung von Schaltkreis-Automatismen berücksichtigt die implizite Nutzung von Erfahrungswissen des Designers, bietet eine volle Topologie-Flexibilität und steigert die Wiederverwendung („re-use“) gängiger Schaltungstopologien. Die erreichten Zwischenergebnisse lassen einen erheblichen Nutzen erkennen und zeigen das Potenzial sogenannter „Parametrisierter Schaltkreise“ auf, den Automatisierungsgrad des analogen Schaltungsentwurfs zu steigern.
A new method for the analysis of movement dependent parasitics in full custom designed MEMS sensors
(2017)
Due to the lack of sophisticated microelectromechanical systems (MEMS) component libraries, highly optimized MEMS sensors are currently designed using a polygon driven design flow. The strength of this design flow is the accurate mechanical simulation of the polygons by finite element (FE) modal analysis. The result of the FE-modal analysis is included in the system model together with the data of the (mechanical) static electrostatic analysis. However, the system model lacks the dynamic parasitic electrostatic effects, arising from the electric coupling between the wiring and the moving structures. In order to include these effects in the system model, we present a method which enables the quasi dynamic parasitic extraction with respect to in-plane movements of the sensor structures. The method is embedded in the polygon driven MEMS design flow using standard EDA tools. In order to take the influences of the fabrication process into account, such as etching process variations, the method combines the FE-modal analysis and the fabrication process simulation data. This enables the analysis of dynamic changing electrostatic parasitic effects with respect to movements of the mechanical structures. Additionally, the result can be included into the system model allowing the simulation of positive feedback of the electrostatic parasitic effects to the mechanical structures.
In contrast to IC design, MEMS design still lacks sophisticated component libraries. Therefore, the physical design of MEMS sensors is mostly done by simply drawing polygons. Hence, the sensor structure is only given as plain graphic data which hinders the identification and investigation of topology elements such as spring, anchor, mass and electrodes. In order to solve this problem, we present a rule-based recognition algorithm which identifies the architecture and the topology elements of a MEMS sensor. In addition to graphic data, the algorithm makes use of only a few marking layers, as well as net and technology information. Our approach enables RC-extraction with commercial field solvers and a subsequent synthesis of the sensor circuit. The mapping of the extracted RC-values to the topology elements of the sensor enables a detailed analysis and optimization of actual MEMS sensors.
Nowadays, the demand for a MEMS development/design kit (MDK) is even more in focus than ever before. In order to achieve a high quality and cost effectiveness in the development process for automotive and consumer applications, an advanced design flow for the MEMS (micro electro mechanical systems) element is urgently required. In this paper, such a development methodology and flow for parasitic extraction of active semiconductor devices is presented. The methodology considers geometrical extraction and links the electrically active pn junctions to SPICE standard library models and subsequently extracts the netlist. An example for a typical pressure sensor is presented and discussed. Finally, the results of the parasitic extraction are compared with fabricated devices in terms of accuracy and capability.
Eine neue Methode zur Berechnung von Temperaturen in Bonddrähten umgeben von einem endlichen Mold wird vorgestellt. Sie ist schneller als die übliche Finite Elemente-Methode (FEM), während sie vergleichbare Resultate produziert. Für manche Parameter funktioniert unsere Methode, während die FEM-Methode versagt. Der Algorithmus ist im sogenannten Bondrechner implementiert, der eine leicht zu benutzende Oberfläche für Designer von mikroelektronischen Systemen bereitstellt. Seine Anwendung hat das Potential, die Zuverlässigkeit von Bonddrähten zu verbessern. Ein nichtidealer Parameter für den Wärmetransfer vom Bonddraht zum Mold-Package wurde ebenfalls berücksichtigt. Dieser Parameter ändert sich wahrscheinlich unter Alterseinflüssen und ist daher sehr wichtig für Zuverlässigkeits-Schätzungen. In unserer Methode wird die Wechselwirkung von Nachbardrähten ebenfalls berücksichtigt. Diese wird immer wichtiger, weil der Durchmesser und der wechselseitige Abstand der Bonddrähte sich verringert, wegen der fortschreitenden Miniaturisierung der Chip-Verpackungen. Unser Programm kann ebenfalls Temperaturen für transiente Ströme berechnen und den Strom berechnen, der zu einer gegebenen Maximaltemperatur gehört.
When a bonding wire becomes too hot, it fuses and fails. The ohmic heat that is generated in the wire can be partially dissipated to a mold package. For this cooling effect the thermal contact between wire and package is an important parameter. Because this parameter can degrade over lifetime, the fusing of a bonding wire can also occur as a long-term effect. Another important factor is the thermal power generated in the vicinity of the bond pads. Nowadays, the reliability of bond wires relies on robust dimensioning based on estimations. Smaller package sizes increase the need for better predictive methods.
The Bond Calculator, a new thermo-electrical simulation tool, is able to predict the temperature profiles along bond wires of arbitrary dimensions in dependence on the applied arbitrary transient current profile, the mold surrounding the wire, and the thermal contact between wire and mold.
In this paper we closely investigated the spatial temperature profiles along different bond wires in air in order to make a first step towards the experimental verification of the simulation model. We are using infrared microscopy in order to measure the thermal radiation generated along the bond wire. This is easier to perform quantitatively in air than in the mold package, because of the non-negligible absorbance of the mold material in the infrared wavelength region.
In der Mikroelektronik werden Chips häufig in Mold-Gehäusen verpackt. Die elektrischen Verbindungen vom Chip zu den Anschlussbeinchen des Gehäuses werden mit Bonddrähten realisiert. Für die Berechnung der Gleichgewichtstemperatur in einem Bonddraht bei konstantem Strom sowie von Temperaturverläufen bei transienten Strömen ist die herkömmliche FEM-Methode langsam und unhandlich. Daher wurde der Bondrechner entwickelt, der ein zylindersymmetrisches Ersatz-Modell für das Package in geeigneten mathematischen Gleichungen abbildet.
Im Gegensatz zum Bondrechner der ersten Generation [1], der auf den Gleichungen von [2] basiert, bietet ein neuer mathematischer Ansatz die Möglichkeit, eine endliche effektive Package-Größe, sowie einen endlichen Wärmeübergang zwischen Bonddraht und Mold-Masse zu berücksichtigen. Ebenso wurde die Berechnung der Interaktion von mehreren benachbarten Drähten verfeinert. Die Berechnung von beliebigen transienten Pulsformen mittlerer Länge wurde ebenfalls verbessert. Eine quadratische Komponente in der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes des Drahtmaterials kann jetzt ebenfalls berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse wurden erfolgreich mit FEM-Berechnungen verglichen und die Geschwindigkeit der Berechnung ist um Größenordnungen schneller als mit kommerziellen FEM-Programmen.
Layout generators, commonly denoted as PCells (parameterized cells), play an important role in the layout design of analog ICs (integrated circuits). PCells can automatically create parts of a layout, whose properties are controlled by the PCell parameters. Any layout, whether hand-crafted or automatically generated, has to be verified against design rules using a DRC (design rule check) in order to assure proper functionality and producibility. Due to the growing complexity of today’s PCells it would be beneficial if a PCell itself could be ensured to produce DRC clean layouts for any allowed parameter values, i.e. a formal verification of the PCell’s code rather than checking all possible instances of the PCell. In this paper we demonstrate the feasibility of such a formal PCell verification for a simple NMOS transistor PCell. The set from which the parameter values can be chosen was found during the verification process.
A procedural approach to automate the manual design process in analog integrated circuit design
(2018)
This paper presents a novel approach to automating the design of analog integrated circuits: (1) the Expert Design Plan (EDP), a procedural generator, and (2) the EDP Language, a high-level description language for writing an EDP. An EDP is a parameterizable, executable script, which reproduces a designer’s course of action when designing a circuit. Thus, an EDP formalizes the design expert’s knowledge-based strategy and makes it reusable. Since it is essential that an EDP represents a circuit designers’ way of thinking and working as close as possible, the designers themselves should be enabled to create the EDP. Therefore, our approach provides a input method through a domain-specific language called EDP Language (EDPL). Using this language is intuitive and requires no special training. In an exemplary implementation of our approach, a common-source amplifier is automatically sized using a set of only 10 instructions. Even in the first usage our EDP approach has appeared to be more efficient than the manual sizing process.