CC BY
18Определение возможности формирования автоматического производства в условиях дефицита поставок микрочипов
Ротанов Евгений Геннадьевич,
кандидат технических наук,. доцент кафедры «Системы автоматизированного управления», ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (ПКУ)», e.rotanov@mgutm.ru
Шаховской Андрей Владимирович,
кандидат технических наук, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (ПКУ)», a.shakhovskoy@mgutm.ru
Родионова Светлана Николаевна,
кандидат экономических наук, доцент, доцент кафедры «Системы автоматизированного управления», ФГБОУ ВО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (ПКУ)», s.rodionova@mgutm.ru
В процессе проектирования импортозамещающих производств в области микроэлектроники необходимо обращать внимание на последовательность технологических процессов и формы структурирования логистических маршрутов. В основе им-портозамещения микроэлектроники лежит процесс адаптации определенного технологического процесса с использованием шага доступности технологии во временном лаге. Авторы показывают, что в основе проектирования микроэлектроники в процессе импортозамещения следует рассматривать возможность адаптации более ранних технологических решений на основе имеющейся элементной базы. В статье предлагается модель адаптации программного обеспечения к полупроводниковым элементам, имеющим в наличии линии производства. Показано, что процесс автоматического производства тесно связан с процессами аппаратного проектирования и моделирования на основе специализированного программного обеспечения. Ключевые слова: проектирование, программное обеспечение, база, элемент, микрочип.
Разработка сенсоров термического анализа и их исследований предусматривают широкое использование математических моделей и соответствующего программного обеспечения [7]. В процессе разработки аппаратуры проводят параметрический анализ сенсоров, расчет тепловых полей и модельный анализ схем сигнальных преобразователей, а в ходе калориметрических исследований определяют температуры фазовых переходов исследуемых проб и тепловые потоки, обуславливающие эти переходы [4].
В настоящее время широкое применение получили методы температурного исследования на основе концепции электротепловой аналогии. Используя эти методы возможно сочетание теплового и схемотехнического моделирования [5]. Учитывая, что основой большинства современных программных средств схемного моделирования SPICE - Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis, разрабатываются гибридные SPICE модели комплексного электротеплового исследования. Особую актуальность такие модели приобретают в устройствах, совмещающих эффекты саморазогревом и аккумуляции тепловой энергии, в частности в терморезисторах, термоанемометрах и калориметрических сенсорах.
Концепция электротепловой аналогии заключается в замещении тепловых характеристик на их электрические аналоги: разница температур ^Т(т) замещается ^^(т) тепловой поток
разницеи напряжении
Рт h
мощность 1 1 замещается электрическим током 1
Re
или
тепловое сопротивление и теплоемкость Се - эквивалентными им электрическим сопротивлением ^т и
емкостью конденсатора Ст Следовательно, тепловые переходные процессы описываются эквивалентными
схемами Фостера и Кауэра в виде нескольких К^Сн звеньев. При использовании схемы Фостера математические выражения временной зависимости температуры
&Т(т) заменяется соответствующими выражениями
зависимости напряжения в процессе нагрева -
ДГ(г) = />г£яй|1-ехр(^
в процессе остывания
( г"
AT(T) = rT^Riiexp--
;=i V Ti ,
AF(r) = /r£/?nexp
i=i
(1)
U (2)
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м м
а
Рт-
постоянная времени
сч сч о сч
<о
о ш m
X
<
m о х
X
где 1 т - мощность, i-того звена, n - количество звеньев.
В зависимости от сложности структуры с тепловой релаксацией и точности расчета используют от одного до пяти звеньев. В частности, для структур интегральной электроники, такими звеньями электротепловой модели являются: активная участок выделение тепла (p-n переход) - кристалл интегральной структуры (в основном кремний); кристалл - прокладка (клей, припой), прокладка - корпус, корпус - радиатор (при его наличии); радиатор - окружающая среда (воздух) [1].
Рассмотрим элементарные примеры использования электротепловой аналогии в SPICE моделях элементов с саморазогревом. Первая из них (рис. 1 а) является схемой замещения двухполюсника (выводы 1, 2), в частности терморезистора. Ток IR через двухполюсник задается функциональной характеристикой управляемого источника тока CCSR (Controlled Current Source).
Аргументами этой функциональной характеристики являются сопротивление Ro двухполюсника при начальной температуре To и напряжение Vt. Это напряжение, в соответствии с методом электротепловой аналогии, является информативной величиной прироста температуры ^Т, которая обусловлена саморазогревом структуры двухполюсника [2].
Напряжение ^т формируется во вспомогательной цепи на RiCi звеньях, которые представляют соответствующие тепловые опоры и теплоемкости структуры. Для примера на рис. 16 показано круг из двух звеньев
R-tiCti, Rt2Ct2(i ток через которые задается вспомогательным управляемым источником тока CCSP. Аргументом функциональной характеристики этого источника является мощность Рт, выделяемая на структуре двухполюсника. В первом приближении принимают
Рт ~ Ir R-0 для повышения достоверности результата расчет проводят итерационным методом, в котором мощность каждого последующего цикла итерации определяется для сопротивления Rt при температуре T, установленного в предыдущем цикле двухполюсника.
На основе концепции электротепловой аналогии в настоящее время уже реализован ряд SPICE моделей термисторов, которые поставляются компаниями-производителями и используются в ряде программных пакетов схемотехнического моделирования. Пример использования таких моделей в пакете Micro-Cap 11 представлено на рис. 2 [3].
С целью анализа основных подходов по реализации вышеуказанных электротепловых моделей и выявление ограничений их использования в актуальных задачах моделирования сенсоров термического анализа с накоплением тепловой энергии фазовых переходов исследуемых веществ, рассмотрим SPICE модель полупроводникового термистора типа NTC (Negative Temperature Coefficient) с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.
а а» а ^ .и*a »s в а ч эи |[йв* э ъ
...... ...—г— " »в..»"■
s CwnraiMMtCtahilH)
T PnabnxUQi]) a Ъа Г 1Ивпи1и016|
¿«м.им-ов
'.И 14. I......... ..I ,. ...I',
C£1 ИМИ (Pn«tHaul лгал fi I Vij и
ШШ [PitlHi .men oi^'J
«»JOX IPiofn»»»!.*»» On») CSH.JÎ5C (ProMs«rt«'virawonl,i
'!:''Vii'i и in
06M.4THC0 orfyl
OMJMMO itiiteuaul ~WUM wJy)
"S"
4 CtXJ7Xl}Jit*m MIC IMm
ildu
P Curent P PoМГ ff Coràtcn
» I -!■......I
а) б) в)
Рисунок 1. Упрощенные электротепловые SPICE модели
Пример упрощенной SPICE модели трехполюсника с функцией саморазогревом, в частности биполярного транзистора TR показана на рис. 1, в (обозначения 1, 2, 3 соответствуют выводам базы, коллектора и эмиттера). Электротепловая модель последнего дополнена управляемым источником напряжения CVSTR (Controlled Voltage Source) и управляемого источника тока CCSTR. Первое из них CVSTR описывает температурный дрейф напряжения эмиттерного p-n перехода транзистора, а второе CCSTR - температурный дрейф коллекторного круга транзистора. Напряжение Vt, как и в ранее рассмотренной схеме двухполюсника, формируется вспомогательным кругом на RiCi звеньях (рис. 16).
Рисунок 2. Окно спецификации параметров термистора в пакете Micro-Cap 11
На практике в первом приближении температурная зависимость сопротивления полупроводниковых термисторов типа NTC описывается эмпирическим уравнением Стейнхарта-Харта (Steinhart-Hart):
- = А + В ln( R) + C[ln(R ;]3
где Т - абсолютная температура в Кельвинах, R - сопротивление при температуре T, A, B, C - коэффициенты Стейнхарта-Харта, числовые значения которых зависят от типа термистора и диапазона температур.
Наиболее общий вид этого уравнения содержит
также терм , но, по большей части, его значе-
нием можно пренебречь.
В таком представлении уравнения Стейнхарта-Харта температурную зависимость сопротивления термистора определяют по формуле где
(
R = exp
V
X У+2
/
cl Т
У
= з
в_
3 с
4Ï
Очевидно, что такое представление температурной зависимости сопротивления термистора не учитывает его собственный (внутренний) самонагрев, который определяется тепловой мощностью, выделяемой в результате прохождения тока питания через структуру термистора.
Модели конкретных термистора, в частности, SUBCKT С620_2200, в свою очередь, базируются на универсальной схеме замещения, а именно - subckt
NTC, в которую входят три управляемые источники тока типа Dependent sources - Linear IofV (Gthem, Gtmp, Gpar), три резистора (Rp, Rs, Rpar) и конденсатор Cpar. Схему замещения subckt NTC представлено на рис. 3.
з Gtmp Cpar Rpar Gpar O-
?>0,h,m <¡3 <t)
X
и
Рисунок 3. Схема замещения subckt NTC
I (Gthem) = -
R,
,{GmP)JV(A>-V(XX ;
Rz
I (Gpar) = (V(3 ){GTH0 + (<3TH, (V(3) + Tc )))) ;
R, =
expi
В, B, B.
+ B,
"n0
CD
"X"
т?с
Рисунок 4. Пример исследования температурной зависимости сопротивления термистора: схема замещения модели -ЭиВСКГ С620 2200
Более информативно параметры модели термистора можно представить на семействе зависимостей при разных температурах окружающей среды (рис. 5). В таком исследовании возникает эффект самонагрева термистора его током питания, а следовательно, сопротивление является функцией как температуры окружающей среды TAMB, так и рассеивающей мощности цепи питания. Последнее представлено источником Vin напряжения питания и постоянным резистором R1.
Схема замещения б1|Ьсй NTC состоит из двух подсхем - первая из которых ^Ше^!, Rp, Rs) моделирует электрические, а вторая ^^р, Gpar, Cpar, Rpar) - тепловые процессы в структуре термистора в соответствии с вышеупомянутой концепции электротепловой аналогии. Вольт-амперная характеристика термистора задается первой подсхемой, в частности, математическим выражением управляемого источника Gthem. Ток этого источника, в свою очередь, является функцией разности напряжений между узлами 4 и 1, То есть V(4)-V(1), и температурной зависимости сопротивления RZ. Температура термистора рассчитывается второй подсхемой, в частности, надругательство в узле 3 - V(3) - служит эквивалентом температуры.
Основные функциональные зависимости модели определяются выражениями:
У(4)-У(1).
0 vm"
y12)
\ lv ^—^ 2 \
-- -—5—
1к - абсолютная температура в
где Тук - У(Ъ) + ТК, Тк Кельвинах.
Пример модельного исследования температурной зависимости сопротивления R (XRT) термистора показан на рис. 1.23, где XRT- название вышеупомянутой SPICE схемы замещения SUBCKT C620_2200 термистора. Последний питается источником постоянного тока Iin. В данном примере значение тока этого источника удовлетворяет требованиям минимально возможного самонагрева, в частности
v(vin)
Рисунок 5. Семейство зависимостей падения напряжения на терморезисторе при
Тамв= 20°С (1), 40°С (2), 60°С (3), 80°С (4), 100°С (5)
Можно видеть, что с увеличением напряжения V (Vin) функция падения напряжения на термисторе является нелинейной - имеет место самонагрев, который и приводит к модуляции сопротивления. Семейство зависимостей падения напряжения на термисторе характеризуется экстремумами с переходом в участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что в полной мере соответствует вольт-амперным характеристикам реальных термисторов.
Более подробные исследования встроенных в коммерческие версии схемного моделирования SPICE схем замещения термисторов показывают определенные ограничения их применения. В частности, на рис. 6 представлены две зависимости падения напряжения на термисторе при температурах окружающей среды до 20 градусов. Можно видеть, что, как и в ранее приведенных результатах, первая зависимость (1) является корректной. Вместо этого, форма второй зависимости (2) не соответствует реальным вольт-амперным характеристикам термисторов - функция имеет разрыв после которого падение надругательства на термисторе обнуляется. Это свидетельствует о потере стабильности (целостности) модели, причиной которой являются слишком высокие значения положительной обратной связи. Кроме того, как это показано на рис. 7, в ряде случаев имеет место срыв процесса моделирования-Matrixis singular.
Таким образом, использование вышеуказанных SPICE моделей является ограниченным вследствие срыва процесса моделирования, а также, известные в настоящее время SPICE модели не позволяют проводить параметрический анализ измерительных цепей с учетом эффекта аккумуляции тепловой энергии, которая имеет место при фазовых переходах в процессе термоаналитических исследований. Именно это существенное ограничение ставит задачу дальнейшего раз-
X X
о
го А с.
X
го m
о
ю
2 О M
to
сч сч
0 сч
оэ
01
о ш Ш X
вития принципов электротепловой аналогии и разработки SPICE моделей компонентов сенсоров термического анализа.
,4- 01 X
V(2)
' 1
V(VIN)
Рисунок 6. Семейство зависимостей падение напряжения на терморезисторе
IIR1I
О
VW'
гг 0
MC7 (my ШШ
О ******
1 OK 1 И* J
Q0m00 40.0 80.0 120.0 .ovv twu
V(VIN)
Рисунок 7. Пример срыва процесса моделирования Литература
1. Долматов, А. В. Коллекторный модуль сетевой системы контроля микроклимата домашних растений / А. В. Долматов, М. А. Долматова // Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии. - 2021. - Т. 5. - № 2. - С. 86-92. - EDN KEEYEO.
2. Эффективные устройства защиты от аварийных режимов работы / С. В. Оськин, Г. М. Оськина, А. В. Ми-рошников, А. С. Макаренко // Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность. - 2018. -№ 1(33). - С. 118-126. - EDN VNHZSH.
3. Теплофизическая модель мемристорно-диодного микрочипа / М. В. Созонов, А. Н. Бусыгин, А. Н. Бобылев, А. А. Кислицын // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. - 2021. - Т. 7. - № 4(28). - С. 6278. - DOI 10.21684/2411-7978-2021-7-4-62-78. - EDN BAZOFR.
4. Максютов, А. Р. Гибридная мульти протокольная система передачи данных на микрочипе / А. Р. Максютов
// Автоматизация в промышленности. - 2016. - № 11. -С. 20-22. - EDN XHYYAB.
5. Салимов, М. Термический анализ в SOLIDWORKS Simulation на примере микрочипа / М. Салимов // САПР и графика. - 2021. - № 6(296). - С. 48-50. - EDN QQUIXI.
6. Ваганов, А. Макроэкономика микрочипов / А. Ваганов // Энергия: экономика, техника, экология. - 2022. -№ 3. - С. 15-19. - DOI 10.7868/S023336192203003X. -EDN AOULFQ.
7. ДНК-микрочип, изготовленный печатным методом / А. П. Шкарупо, В. И. Туев, И. Ю. Буханцов, Д. И. Жигалина // Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР. - 2020. - № 1-1. - С. 280-283. - EDN IJDYSG.
Determination of the possibility of forming automatic production in conditions of shortage of microchip supplies Rotanov E.G., Shakhovskoy A.V., Rodionova S.N.
K.G. Razumovsky Moscow State University of Technologies and Management
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
In the process of designing impotent production facilities in the field of microelectronics, it is necessary to pay attention to the sequence of technological processes and the forms of structuring logistics routes. The import substitution of microelectronics is based on the process of adapting a certain technological process using the technology availability step in a time lag. The authors show that at the heart of the design of microelectronics in the process of import substitution, the possibility of adapting earlier technological solutions based on the existing element base should be considered. The article proposes a model of software adaptation to semiconductor elements that have production lines available. It is shown that the process of automatic production is closely related to the processes of hardware design and modeling based on specialized software. Keywords: design, software, base, element, microchip. References
1. Dolmatov, A. V., Dolmatova, M. A. Collector module of the network system
for monitoring the microclimate of domestic plants // High-performance computing systems and technologies. - 2021. - V. 5. - No. 2. - S. 86-92.
- EDN KEEYEO.
2. Oskin S. V., Oskina G. M., Miroshnikov A. V., Makarenko A. S. Efficient
protection devices against emergency operation // Emergency situations: industrial and environmental safety. - 2018. - No. 1 (33). - S. 118-126. -EDN VNHZSH.
3. Sozonov M. V., Busygin A. N., Bobylev A. N., Kislitsyn A. A.
Thermophysical model of a memristor-diode microchip // Bulletin of the Tyumen State University. Physical and mathematical modeling. Oil, gas, energy. - 2021. - T. 7. - No. 4 (28). - S. 62-78. - DOI 10.21684/24117978-2021-7-4-62-78. - EDN BAZOFR.
4. Maksyutov, A.R. Hybrid multi-protocol data transmission system on a
microchip / A.R. Maksyutov // Automation in industry. - 2016. - No. 11. -S. 20-22. - EDN XHYYAB.
5. Salimov, M. Thermal analysis in SOLIDWORKS Simulation on the example
of a microchip / M. Salimov // CAD and graphics. - 2021. - No. 6 (296). -S. 48-50. - EDN QQUIXI.
6. Vaganov, A. Macroeconomics of microchips / A. Vaganov // Energy:
economics, technology, ecology. - 2022. - No. 3. - P. 15-19. - DOI 10.7868/S023336192203003X. - EDN AOULFQ.
7. Shkarupo A.P., Tuev V.I., Bukhantsov I.Yu., Zhigalina D.I. // Selected
articles of the TUSUR scientific session. - 2020. - No. 1-1. - S. 280-283.
- EDN IJDYSG.
<
m о x
X
