UNA TECNICA DI PROGETT O DI MMIC PER APPLICAZIONI SP … · 2008-01-23 · chieste per applicazioni...

9

NO

TE

La Comunicazione - numero unico 2001

1. Introduzione

Le soluzioni circuitali e le tecniche impiegateper il progetto di circuiti integrati monolitici amicroonde (MMIC, Monolithic MicrowaveIntegrated Circuits) per applicazioni spaziali non dif-feriscono molto da quelle usate per le applicazionicommerciali. Tuttavia le tecnologie ed i processi difabbricazione sono sostanzialmente diversi: infattiessi devono essere tali da consentire una vita mediadel circuito e/o componente superiore alla durata della

UNA TECNICA DI PROGETTO DI MMIC PER

APPLICAZIONI SPAZIALI(A MMIC DESIGN TECHNIQUE FOR SPACE APPLICATIONS)

Agostino Giorgio, Anna Gina Perri(Laboratorio di Dispositivi Elettronici, Dipartimento di Elettrotecnica ed Elettronica, Politecnico di Bari

Via E. Orabona, 4, 70125 BariTel. 0805963314-5963427; Fax: 0805963410; E-Mail: [email protected])

Riassunto: Nella progettazione di circuitiintegrati monolitici a microonde (MMIC), da im-piegare in apparati satellitari, occorre conside-rare, oltre alle pure specifiche tecniche, anchealtri parametri quali la riproducibilità,l'affidabilità e, soprattutto, la resa finale di pro-duzione. L'importanza di questo aspetto risultaevidente se si tiene conto che la quantità di cir-cuiti richiesti per applicazioni spaziali è di granlunga inferiore a quelle richieste per applicazio-ni commerciali e che le tecnologie utilizzate sononormalmente costose.Nel presente lavoro si propone una tecnica di pro-getto di MMIC finalizzata all'ottimizzazione del-le rese di produzione, in particolare dellaSpecification Yield, influenzata dalle tolleranzenella fabbricazione dei singoli componenti.La tecnica proposta, basata sull'analisi statisticadi sensibilità, cioè sulla verifica del comporta-mento del circuito in conseguenza di variazionidei valori dei componenti passivi dal loro valorenominale, e sul contemporaneo calcolo delle resedi produzione, consente di individuare i punti sen-sibili del circuito, sui quali agire per incrementa-re la resa di produzione totale, nonché permettedi effettuare una opportuna scelta delle tipologiecircuitali da adottare.A titolo di esempio, tale tecnica è stata applicatanel progetto di un MMIC da impiegare su un ra-dar ad apertura sintetica (SAR) in banda X.

.Abstract: The techniques used for the

design of circuits for space applications are notdifferent from those used for commercialapplications. However the technology and thefabrication processes must be oriented to obtainan average life of the circuit and/or componenthigher than the expected service offered from thesatellite.For these applications the Monolithic MicrowaveIntegrated Circuit (MMIC) design techniquesmust satisfy requirements that include alsospecifications such as the reliability and the finalproduction yield.In this paper a MMIC design technique, orientedto the optimisation of the production yields, isproposed.This method, based on a sensibility analysis, i.e.on the circuit behavior for value variations ofpassive elements from their nominal value, andon the contemporary determination of theproduction yields, allows to identify the circuitelements to obtain high production yield.Moreover it allows to perform an appropriatechoose of the circuit topology.In particular this technique has been applied todesign a MMIC to employ on a Synthetic Aper-ture Radar (SAR) in X band.

missione, intendendo per durata della missione il tem-po previsto per il servizio offerto dal satellite. Unavolta realizzati, gli apparati ed i componenti devonoessere in grado di sopportare i cosiddetti "cicli cal-do-freddo", cioè gli stress termici e meccanici relati-vi al lancio, alla messa in opera ed alle condizioni difunzionamento del satellite stesso.

Negli ultimi anni, in allineamento con l'evolu-zione tecnologica, si è registrato anche un aumento

10

NO

TE


del numero di canali per satellite richiesti dai gestorisatellitari per offrire nuovi servizi (televisione, tele-fonia, multimediale, ecc.). Ciò ha implicato una ri-duzione sia delle dimensioni, sia del peso degli ap-parati richiesti, con una conseguente evoluzione ver-so la miniaturizzazione dei circuiti utilizzando tecni-che e tecnologie di integrazione sempre più spinte.

D'altro canto un aumento dei servizi offerti viasatellite comporta un aumento del numero di satellitie di apparati prodotti per anno. Pertanto occorresoddisfare due opposte esigenze: quella cioè di assi-curare l'affidabilità degli apparati e quella di mante-nere basso il livello dei costi.

Attualmente la strategia migliore sembra esse-re quella di poter prevedere, attraverso uno studioiniziale, le possibili cause di malfunzionamento oguasto dei circuiti, e nel contempo di automatizzare iprocessi produttivi, evitando qualsiasi tipo dirilavorazione una volta che l'apparato è stato monta-to e collaudato.

Le problematiche illustrate coinvolgono anchegli MMIC, che costituiscono un mattone fondamen-tale dei suddetti apparati. I relativi criteri di proget-tazione devono includere, oltre alle pure specifichetecniche, anche parametri quali la riproducibilità,l'affidabilità, la resa finale di produzione. Per unMMIC occorrerà considerare, ad esempio, la larghezzadelle piste di connessione e le dimensioni dei varielementi attivi e passivi che costituiscono il circuitoin funzione di una serie di parametri quali correnti,tensioni e densità di potenze previste, tipo di appli-cazione, sensibilità alle variazioni di processo di fab-bricazione. Non ultima va considerata la disposizio-ne fisica (layout) finale del MMIC, che ha un impat-to diretto sulla distribuzione termica, sulla compat-tezza del circuito, e sulla resa finale di produzione.

L'ottimizzazione delle rese di produzione di-venta più evidente nel momento in cui si considerache le quantità di MMIC normalmente richieste per

uso spaziale sono piccole in confronto a quelle ri-chieste per applicazioni commerciali e il costo perwafer di fabbricazione è molto elevato. Per coprire icosti si cerca allora di ottenere la massima resa con ilminimo lotto di produzione. Peraltro per un MMIC èimpossibile ricorrere alle tipiche tecniche di accor-datura utilizzate nei circuiti a microonde (tuning).

Nel presente lavoro si propone una tecnica diprogetto di un MMIC (in particolare di un amplifica-tore integrato) da impiegare su un radar ad aperturasintetica (SAR) in banda X, basata sull'ottimizzazionedelle rese di produzione su un limitato numero diwafer.

Dopo aver dettagliatamente esaminato i vari tipidi rese di produzione, nel paragrafo 2 viene descrittala tecnica proposta, mentre nel successivo paragrafovengono esaminati i risultati numerici ottenuti, veri-ficandone la fisica realizzabilità con riferimento allatecnologia utilizzata.

2. Analisi delle Rese di Produzione

Con gli attuali sistemi di simulazione, partendoda dati tecnologici forniti dai produttori e dall’espe-rienza, è possibile simulare le diverse condizioni difunzionamento di un MMIC al variare dei parametridella tecnologia scelta e quindi orientare edottimizzare il progetto per ottenere una resa di pro-duzione elevata. Questo risulta tanto più utile quantopiù elevato è il numero di MMIC da utilizzare neidiversi apparati.

Il punto di partenza è dunque l’analisi delle resedi produzione per comprendere quale aspetto èmigliorabile con la tecnica di progettazione utilizza-ta.

Con riferimento alla Fig.1, le rese di produzio-ne possono, in generale, essere classificate in quattrocategorie [1]:

Agostino Giorgio, Anna Gina Perri

Fabrication Yield

Component Yield

Specification Yield

Other Yield Loss

Fig. 1 - Rese di produzione.

11

NO

TE


UNA TECNICA DI PROGETTO DI MMIC PER APPLICAZIONI SPAZIALI(A MMIC DESIGN TECHNIQUE FOR SPACE APPLICATIONS

Fabrication Yield: resa dell'intero wafer duran-te il processo di fabbricazione;

Component Yield: resa del singolo circuito al-l'interno del wafer limitata dai difetti dei componentipresenti nel MMIC (FET, condensatori, induttori,resistori), che hanno come risultato il totale o parzia-le malfunzionamento del circuito in DC e RF;

Specification Yield: resa del singolo circuito al-l'interno del wafer che funziona in DC e RF ma al difuori delle specifiche imposte nel progetto; questaresa è influenzata dalle tolleranze nella fabbricazio-ne dei singoli componenti;

Other Yield Loss: resa determinata da altri fat-tori come, ad esempio, difetti fisici nel componentefunzionante, ma non accettabili dal punto di vistadella qualità.

E' necessario fare alcune considerazioni permeglio comprendere dove e come bisogna agire permigliorare ciascuna di queste rese.

La Fabrication Yield tende ad un naturale mi-glioramento man mano che il processo di fabbrica-zione diventa maturo. Un comportamento analogo sievidenzia anche per la Other Yield Loss ed in manie-ra minore per la Component Yield.

La Specification Yield , invece, è l'unica resa chepuò essere controllata e la tecnica di progettazioneda noi proposta, pertanto, ha come obiettivo quellodi controllare e migliorare tale resa.

2.a Tecnica di progettazione proposta

In particolare, per un MMIC il dimensionamentodel circuito non può prescindere dalla conoscenzadell’effettiva distribuzione dei componenti (layout),attraverso la quale è possibile prevedere il comporta-mento del circuito finale [2].

In linea generale, dunque, l’approccio che puòessere utilizzato nel progetto può essere sintetizzatonei seguenti punti:

1.Analisi del circuito a parametri concentratiQuesta fase preliminare consente di stabilire

quali sono le prestazioni limite ottenibili e di indivi-duare le topologie circuitali più adatte per le reti di

adattamento al fine di ottenere le specifiche richie-ste.

2. Analisi del circuito a parametri distribuitiIn questo caso i componenti passivi (condensa-

tori, induttori, resistori) considerati nella fase prece-dente come elementi ideali, vengono sostituiti congli elementi reali, dunque, con i modelli sviluppatidalla fonderia. Quest’analisi consente di capire, trale reti di adattamento selezionate durante la fase 1.,quali sono quelle che manifestano una minore sensi-bilità alle variazioni dei vari parametri e che, quindi,meglio si prestano ad una progettazione per alte resedi produzione.

3.Disegno del layoutL’effettiva disposizione del layout consente di

conoscere gli effetti parassiti dovuti alle effettive con-nessioni. Con gli attuali software è possibile ottenereautomaticamente gli schemi circuitali da simulare.Inoltre, con l’inserimento di tutti gli elementi paras-siti, il comportamento del circuito sarà differente daquello previsto dal dimensionamento: occorrerà dun-que modificare nuovamente i valori dei singoli com-ponenti e quindi il layout fino all’ottenimento dellespecifiche di progetto.

4.Analisi di sensibiltà

Una volta terminato il dimensionamento del cir-cuito (parte elettrica e layout), si effettua l’analisistatistica di sensibilità. In tal caso si verifica qual è ilcomportamento del circuito in conseguenza di varia-zioni dei valori dei componenti passivi dal loro valo-re nominale.

Contemporaneamente si calcolano le rese diproduzione controllando che i risultati siano soddi-sfacenti. Se questo non accade bisognerà individuareil punto o i punti sensibili del circuito ed agire suquesti per incrementare la resa.

La Fig.2 è il diagramma di flusso che illustra latecnica proposta, descritta attraverso i passi prece-dentemente esaminati.

12

NO

TE



Fig. 2 - Tecnica di progettazione per alte rese di produzione: diagramma di flusso.

13

NO

TE


3. Risultati numerici

La tecnica di progetto è stata applicata per larealizzazione di un amplificatore, le cui specifichesono riportate in Tab. I.

Tab. I - Specifiche di progetto dell'amplificatore.

Per l'ottenimento di tali prestazioni si è resonecessario l'utilizzo di due stadi di amplificazione e,quindi, l'inserimento di tre reti di adattamento. I duestadi attivi sono costituiti da due MESFETmultifinger, aventi lunghezze di gate di 25 mm e 75mm rispettivamente.

Lo schema del circuito e le sue prestazioni sonovisualizzate nelle Figg.3 ÷ 6 rispettivamente.

Fig. 3 - Schema circuitale dell'amplificatore progettato.

Fig. 4 - Guadagno dell'amplificatore.

S21 (dB) 16 Ripple (dB/pp) 0.5

S11 (dB) <-12 (9-10 GHz) S22 (dB) <-15 (9-10 GHz)


14

NO

TE



Fig. 5 - Attenuazione d’ingresso.

Fig. 6 - Attenuazione d’uscita.

15

NO

TE


3.a Analisi di sensibilità

Una volta dimensionato il circuito, bisogna ef-fettuare l’analisi di sensibilità.

E’ stato già messo in evidenza come laSpecification Yield sia la resa sulla quale si concen-tra la tecnica di progettazione proposta. Va precisatoinoltre che la fonderia garantisce la fabbricazionedei componenti attivi e passivi secondo i valoridimensionati nel progetto entro, però, tolleranzeprestabilite. Infatti, tra i dati relativi a tali compo-nenti, sono presenti i cosiddetti Para-metri di Spread, che rappresentano ladispersione del valore del singolo com-ponente intorno al valore nominale fissa-to nel dimensionamento del circuito. Sisuppone, quindi, che il valore del singo-lo dispositivo sia caratterizzato da una di-stribuzione di probabilità, che è unagaussiana avente valor medio pari al va-lore nominale del componente e devia-zione standard s pari al paramentro dispread. Questo è il motivo per il quale siparla di progettazione di tipo statisti-co.

Si tenga presente, inoltre, che per ciascun pa-rametro di spread vengono forniti due valori, unoon-wafer, l’altro wafer-to-wafer. Questa distinzionedipende dal fatto che nella fabbricazione di un di-spositivo, a parità di valore nominale, le tolleranzevariano considerando lo stesso wafer o wafer diver-si. Solo per gli induttori vengono dichiarati gli stessivalori nei due casi, attraverso due parametri di spread,uno relativo al valore di induttanza (DL), e l’altrorelativo alla resistenza equivalente associata al com-ponente (DR).

I dati forniti dalla fonderia sono elencati nellaTab.II.

Una volta impostati tali valori per ogni singolocomponente, con il simulatore LIBRA, viene effet-tuata un’analisi statistica, vengono cioè generati, inmodo casuale, un numero di campioni fissato a prio-ri. Per ogni singolo componente il simulatore sce-glie in modo arbitrario un valore preso all’internodella gaussiana, che descrive la dispersione dal va-lore nominale. Di conseguenza si analizza il com-portamento del circuito andando, così, a verificarequal è la sua sensibilità rispetto a tali variazioni. Con-temporaneamente si valutano le rese di produzione,

fissando gli intervalli entro i quali devono mante-nersi le specifiche affinché il chip sia consideratovalido. E’ possibile anche visualizzare gliistogrammi relativi alla distribuzione dell’S21 .

Per quanto riguarda il programma LIBRA, oc-corre precisare che esso presenta un limite sull’ana-lisi di sensibilità del parametro S21, cioè dà solo lapossibilità di verificare se il guadagno dell’amplifi-catore è compreso entro due valori fissati, A e B,

con B maggiore di A. Ovviamente il valore A co-stituisce il minimo guadagno previsto nelle spe-cifiche, mentre la differenza (B-A) il ripple mas-simo ammissibile. L’errore che si può commette-re è di ritenere inutilizzabile un circuito, aventeun guadagno con valori minimo, Gmin, e massi-mo, Gmax, nella banda di interesse, per il qualerisulta Gmin maggiore di B e (Gmax - Gmin) minoredel ripple fissato nelle specifiche.

Questo limite è tanto più importante se si tieneconto del fatto che la resa di produzione totale èinfluenzata principalmente dalla resa di produzionesul guadagno S21. Per questo motivo è stato messo apunto un programma, in ambiente Matlab, che cal-cola le rese di produzione relative alla specifica sulguadagno e sul ripple dell’amplificatore, elaborandoi dati relativi alle analisi statistiche effettuate con ilsimulatore LIBRA memorizzati in un file, che con-tiene i valori dei parametri S nell’intervallo di fre-quenza di interesse.

Il programma messo a punto determina i valori(minimo e massimo) del guadagno S21, assumendoquello minimo come guadagno dell’amplificatore.Viene così valutato anche il ripple, dato dalla diffe-renza tra il valore massimo e minimo del parametro

Componente σ on-wafer σ wafer-to-wafer

Induttore DL=5% DR=20%

Condensatore 2% 5.6%

Resistore in TaN 2% 3.6%

Resistore in TiWSi 6% 8%

Tab.II. Parametri di spread forniti dalla fonderia.


16

NO

TE


S21. Affinché il circuito sia accettabile, è necessa-rio sia che il guadagno risulti maggiore della spe-cifica di progetto, che il ripple inferiore alla spe-cifica fissata (v. Tab.I).

Per quanto riguarda il calcolo delle rese di pro-duzione, sono state effettuate due analisi di sensibili-tà, una on-wafer, l’altra wafer-to-wafer, dalle qualisi ricavano due valori RTOT,on e RTOT,w_to_w rispettiva-mente. Ciascuno dei due valori rappresenta la resatotale nelle due condizioni.

Tali rese sono il prodotto di cinque fattori:

• RS11: resa relativa all’attenuazione in ingresso;

• RS22: resa relativa all’attenuazione in uscita;

• RS21: resa relativa al guadagno;

• RK e RB1: rese relative alla incondizionata stabilità

[3].

Quindi

analogamente

wtowBwtowKwtowSwtowSwtowSwtowTOT RRRRRR __,1__,__,21__,22__,11__, ⋅⋅⋅⋅=

wtowBwtowKwtowSwtowSwtowSwtowTOT RRRRRR __,1__,__,21__,22__,11__, ⋅⋅⋅⋅=


onBonKonSonSonSonTOT RRRRRR ,1,,21,22,11, ⋅⋅⋅⋅=

WtowTOTonTOTTOT RbRaR __,, ⋅+⋅=

on_wafer Pass Fail Yield w_to_w Pass Fail Yield

RS11,on 200 0 100% RS11,w_to_w 199 1 99.5%

RS22,on 200 0 100% RS22,w_to_w 194 6 97%

RS21,on 151 49 75.5% RS21,w_to_w 133 67 66.5%

RK,on 200 0 100% RK,w_to_w 200 0 100% RB1,on 200 0 100% RB1,w_to_w 200 0 100%

RTOT,on - - 75.5% RTOT,w_to_w - - 64.2%

La resa complessiva sarà data dalla relazione

(1)ovvero sarà una media pesata delle rese totali

on-wafer e wafer-to-wafer, dove i pesi a e b sonostati fissati pari a 0.5.

Il primo caso esaminato riguarda la sensibilitàdel circuito progettato considerando le tolleranze deisoli componenti passivi già evidenziate nella Tab.II.Non viene, per il momento, presa in considerazionela tolleranza sulla lunghezza W dei finger del FET(multifinger).

I risultati ottenuti durante quest’analisi sonoquelli mostrati nella Tab.III.

La resa totale è del 69.85% secondo la relazio-ne (1)

Nelle Figg. 7 e 8 sono riportati gli istogrammiricavati dalla precedente analisi di sensibilità on-wafere wafer-to-wafer. Tali istogrammi permettono divisualizzare la dispersione delle prestazioni del cir-cuito a seguito di variazioni di processo. Si osserviche si è fatto riferimento agli istogrammi del para-metro S21 in quanto è quello che maggiormente in-fluenza la resa di produzione totale, come si può fa-cilmente dedurre dalla Tab.III.

In entrambe le figure si può notare come il valormedio, 18.92 dB e 18.89 dB rispettivamente, rappre-senti il valore di guadagno atteso, certamente supe-riore alla specifica di 16 dB fissata in Tab.I. La causadi ciò va ricercata nel fatto che l’andamento di tali

Tab. III - Rese di produzione dell'amplificatore.

17

NO

TE


Fig. 7 - Istogramma di S21 nell'analisi on-wafer.

Fig. 8 - Istogramma di S21 nell’analisi wafer-to-wafer.


18

NO

TE



istogrammi è assimilabile ad una distribuzione diprobabilità gaussiana: ci si aspetta dunque che icircuiti realizzati abbiano un valore di guadagnocompreso nella gaussiana con deviazione standardpari a 0.33 dB e 0.46 dB rispettivamente.

Peraltro si è potuto verificare che una progetta-zione finalizzata all’ottenimento di alte rese di pro-duzione ottimizza il circuito in funzione del compor-tamento dei componenti passivi. Infatti solo modifi-cando la topologia delle reti di adattamento si riescead ottenere i risultati sperati.

Non è possibile agire minimizzando gli effettidelle tolleranze su W, poiché le caratteristiche delcomponente attivo sono prestabilite dalla fonderia edipendono esclusivamente dal processo tecnologicorealizzativo. E’ necessario però effettuare un’analisidi sensibilità considerando anche i componenti atti-

on_wafer Pass Fail Yield w_to_w Pass Fail Yield

RS11,on 199 1 99.5% RS11,w_to_w 200 0 100%

RS22,on 194 6 97% RS22,w_to_w 185 15 92.5%

RS21,on 136 64 68% RS21,w_to_w 112 88 56%

RK,on 200 0 100% RK,w_to_w 200 0 100%

RB1,on 200 0 100% RB1,w_to_w 200 0 100% RTOT,on - - 65.7% RTOT,w_to_w - - 52%

Tab. IV - Rese di produzione dell’amplificatore considerando i componenti attivi.

vi, per i quali è stata considerata una tolleranzasulla lunghezza W del 10%.

I risultati finali sulle rese di produzione sonoriassunti nella Tab.IV.

La resa totale è del 58.85% secondo sempre larelazione (1). Va precisato che nel caso specifico esa-minato si è utilizzata una tecnologia PHEMT congate da 0.25 mm.

Anche in questa situazione abbiamo evidenziatoil comportamento del parametro S21 attraverso i suoiistogrammi (vedi Figg. 9 e 10).

Anche per le Figg.9 e 10 valgono le stesse con-siderazioni fatte in precedenza. E' opportuno osser-vare che il valor medio è praticamente rimasto inva-riato, a fronte di un incremento della deviazionestandard, causato dall'inserimento nell'analisi di unatolleranza in più, relativa ai componenti attivi.

19

NO

TE


Fig. 10 - Istogramma di S21 nell'analisi wafer-to-wafer.

Fig. 9 - Istogramma di S21 nell'analisi on wafer.


20

NO

TE



4. Conclusioni

In questo articolo è stata proposta una tecnicadi progetto di un MMIC da impiegare su un radar adapertura sintetica (SAR) in banda X, basatasull’ottimizzazione delle rese di produzione, in par-ticolare della Specification Yield, che è influenzatadalle tolleranze nella fabbricazione dei singoli com-ponenti.

La nostra idea innovativa nella progettazionedi MMIC, da impiegare in apparati satellitari, è stataquella di considerare, oltre alle pure specifiche tec-niche, anche altri parametri quali la riproducibilità,

l’affidabilità e, soprattutto, la resa finale di pro-duzione. La tecnica proposta, basata sull’analisistatistica di sensibilità, cioè sulla verifica del com-portamento del circuito in conseguenza di varia-zioni dei valori dei componenti passivi dal lorovalore nominale, e sul contemporaneo calcolodelle rese di produzione, consente di individuarei punti sensibili del circuito, sui quali agire perincrementare la resa di produzione totale, nonchépermette di effettuare una opportuna scelta delletipologie circuitali da adottare.

Bibliografia

[1] Y. Wang, L. Zhu, “High Yield MMIC DesignUsing Improved Random Walk Approach”; Proceedingof Asia-Pacific Microwave Conference, Adelaide,1992.

[2] Autori vari, “Monolithic Microwave IntegratedCircuits: Technology & Design”, Ravender GoyalEditor, 1995.

[3] G. Gonzales, “Microwave Transistor AmplifiersAnalysis and Design”; Prentice Hall, secondaEdizione, 1997.

UNA TECNICA DI PROGETT O DI MMIC PER APPLICAZIONI SP … · 2008-01-23 · chieste per applicazioni...

Documents

Transcript of UNA TECNICA DI PROGETT O DI MMIC PER APPLICAZIONI SP … · 2008-01-23 · chieste per applicazioni...