描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787111755784
编辑推荐
随着芯片工艺进入5nm甚至2nm时代，芯片上布置的晶体管数量越来越多，给芯片设计带来全新的挑战。对于芯片设计工程师来说，不仅需要了解设计算法以及如何处理日益增加的晶体管，还需要知道如何制造 IC 以及由于晶体管尺寸不断缩小而存在的限制。这些在《电子电路版图设计基础》这本书中都能找到答案。本书作者曾是德国博世（Bosh）集团集成电路版图设计部门的主管，具有丰富的工业经验。本书是作者30多年教学成果和工业经验的结晶，得到了众多业内大咖的强烈推荐，书中介绍了面向工程应用的版图设计知识，重点是集成电路（IC）版图设计，但也包含了重要的印制电路板（PCB）版图设计。本书还提供了适合教学的原版PPT课件。
内容简介
《电子电路版图设计基础》涵盖了版图设计的基本知识，涉及物理设计（通常应用于数字电路）和模拟版图。这些知识提供了版图设计师必须具备的批判思维和洞察力，以便将电路设计期间产生的结构描述转换为用于 IC/PCB 制造的物理版图。《电子电路版图设计基础》介绍了将硅转化为功能器件的技术诀窍，以了解版图所涉及的技术（第 2 章）。以这些核心技术知识为基础，后续章节深入探讨物理设计的特定约束和具体技术，例如接口、设计规则和库（第 3 章）、设计流程和模型（第 4 章）、设计步骤（第5章）、模拟设计细节（第 6 章），最后是可靠性测量（第 7 章）。
《电子电路版图设计基础》适合电路设计人员阅读，也可作为高等院校集成电路科学与工程、电子科学与技术、微电子学与固体电子学等专业的高年级本科生和研究生的教材和参考书。
《电子电路版图设计基础》适合电路设计人员阅读，也可作为高等院校集成电路科学与工程、电子科学与技术、微电子学与固体电子学等专业的高年级本科生和研究生的教材和参考书。
目 录
译者序
原书序
原书前言
第1章 引言1
1.1 电子技术1
1.1.1 印制电路板技术2
1.1.2 混合技术4
1.1.3 半导体技术5
1.2 集成电路10
1.2.1 重要性和特点10
1.2.2 模拟、数字和数模混合电路11
1.2.3 摩尔定律和设计差异13
1.3 物理设计16
1.3.1 主要设计步骤16
1.3.2 集成电路的物理设计17
1.3.3 印制电路板的物理设计19
1.4 本书的动机和结构20
参考文献22
第2章 专业知识：从硅到器件23
2.1 集成电路制造基础23
2.2 硅基材料24
2.3 光刻25
2.3.1 基础原理25
2.3.2 光刻胶26
2.3.3 光掩模和曝光26
2.3.4 对齐和对准标记28
2.3.5 物理设计参考29
2.4 成像误差29
2.4.1 套刻误差29
2.4.2 边缘偏移30
2.4.3 衍射效应31
2.4.4 物理设计参考32
2.5 氧化物层的涂覆和结构化33
2.5.1 热氧化34
2.5.2 沉积氧化34
2.5.3 刻蚀氧化结构34
2.5.4 局部氧化36
2.5.5 物理设计参考37
2.6 掺杂38
2.6.1 背景38
2.6.2 扩散39
2.6.3 离子注入40
2.6.4 物理设计参考41
2.7 硅层的生长和结构化43
2.7.1 同质外延43
2.7.2 异质外延和多晶硅45
2.7.3 物理设计参考46
2.8 金属化46
2.8.1 基本原理46
2.8.2 无平坦化的金属化结构48
2.8.3 平坦化的金属化结构49
2.8.4 物理设计参考52
2.9 CMOS标准工艺54
2.9.1 基本原理：场效应晶体管54
2.9.2 工艺选项57
2.9.3 FEOL：创建器件58
2.9.4 BEOL：连接器件61
参考文献62
第3章 技术桥梁：接口、设计规则和库63
3.1 电路数据：原理图和网表64
3.1.1 电路的结构描述64
3.1.2 电路描述中的理想化65
3.1.3 电路表示：网表和原理图66
3.2 版图数据：层和多边形69
3.2.1 版图数据的结构69
3.2.2 如何阅读版图视图72
3.2.3 图形操作74
3.3 掩模数据：布局后处理78
3.3.1 概述78
3.3.2 芯片加工79
3.3.3 掩模版图80
3.3.4 版图到掩模制备81
3.4 几何设计规则84
3.4.1 技术约束与几何设计规则84
3.4.2 基本的几何设计规则85
3.4.3 程序化几何设计规则88
3.4.4 裸片装配规则89
3.5 库90
3.5.1 工艺设计包和基本器件库91
3.5.2 单元库92
3.5.3 印制电路板设计库94
参考文献96
第4章 物理设计的方法：模型、风格、任务和流程97
4.1 设计流程97
4.2 设计模型102
4.2.1 三维设计空间102
4.2.2 Gajski-Kuhn Y图104
4.3 设计风格106
4.3.1 全定制和半定制设计106
4.3.2 自上而下、自下而上和中间相遇设计110
4.4 设计任务与工具111
4.4.1 创造：综合111
4.4.2 检查：分析112
4.4.3 消除缺陷：优化113
4.5 物理设计优化与约束113
4.5.1 优化目标113
4.5.2 约束范畴113
4.5.3 物理设计优化114
4.6 模拟和数字设计流程115
4.6.1 模拟和数字设计截然不同115
4.6.2 模拟设计流程118
4.6.3 数字设计流程120
4.6.4 混合信号设计流程120
4.7 模拟设计自动化的愿景122
4.7.1 “连续”版图设计流程122
4.7.2 “自下而上与自上而下”的版图设计流程124
参考文献125
第5章 物理设计的步骤：从网表生成到布局后处理126
5.1 使用硬件描述语言生成网表126
5.1.1 概述和历史126
5.1.2 元素和示例127
5.1.3 流程128
5.2 使用符号设计输入生成网表129
5.2.1 概述129
5.2.2 元素和示例129
5.2.3 网表生成132
5.3 物理设计的主要步骤133
5.3.1 分区和布局规划134
5.3.2 布局138
5.3.3 布线140
5.3.4 使用符号压缩的物理设计143
5.3.5 使用标准单元的物理设计144
5.3.6 印制电路板的物理设计145
5.4 验证149
5.4.1 基本原理150
5.4.2 形式验证153
5.4.3 功能验证：仿真153
5.4.4 时序验证155
5.4.5 几何验证：DRC、ERC156
5.4.6 提取和LVS158
5.5 布局后处理161
参考文献163
第6章 模拟IC设计的特殊版图技术164
6.1 方块电阻：用正方形计算164
6.2 阱166
6.2.1 实施166
6.2.2 击穿电压168
6.2.3 电压相关间距规则168
6.3 器件：版图、连接和尺寸169
6.3.1 场效应晶体管（MOSFET）169
6.3.2 电阻173
6.3.3 电容175
6.3.4 双极型晶体管177
6.4 单元生成器：从参数到版图179
6.4.1 概述179
6.4.2 示例180
6.5 对称的重要性182
6.5.1 绝对精度和相对精度：巨大的区别182
6.5.2 通过匹配器件获得对称性183
6.6 版图匹配概念184
6.6.1 内部器件边缘效应的匹配概念185
6.6.2 未知梯度的匹配概念190
6.6.3 外部器件边缘效应的匹配概念193
6.6.4 已知梯度的匹配概念193
6.6.5 方向相关效应的匹配概念194
6.6.6 匹配概念总结196
参考文献197
第7章 解决物理设计中的可靠性问题198
7.1 硅中的寄生效应198
7.1.1 衬底去偏置198
7.1.2 注入少数载流子201
7.1.3 闩锁效应203
7.1.4 p-n结的击穿电压（又称阻断能力）205
7.2 表面效应206
7.2.1 寄生通道效应206
7.2.2 热载流子注入208
7.3 互连寄生209
7.3.1 线路损耗210
7.3.2 信号失真210
7.3.3 串扰212
7.4 过电压保护212
7.4.1 静电放电（ESD）212
7.4.2 天线效应221
7.5 金属中的迁移效应224
7.5.1 电迁移225
7.5.2 热迁移226
7.5.3 应力迁移227
7.5.4 缓解电迁移229
7.5.5 缓解热迁移和应力迁移232
参考文献233
原书序
原书前言
第1章 引言1
1.1 电子技术1
1.1.1 印制电路板技术2
1.1.2 混合技术4
1.1.3 半导体技术5
1.2 集成电路10
1.2.1 重要性和特点10
1.2.2 模拟、数字和数模混合电路11
1.2.3 摩尔定律和设计差异13
1.3 物理设计16
1.3.1 主要设计步骤16
1.3.2 集成电路的物理设计17
1.3.3 印制电路板的物理设计19
1.4 本书的动机和结构20
参考文献22
第2章 专业知识：从硅到器件23
2.1 集成电路制造基础23
2.2 硅基材料24
2.3 光刻25
2.3.1 基础原理25
2.3.2 光刻胶26
2.3.3 光掩模和曝光26
2.3.4 对齐和对准标记28
2.3.5 物理设计参考29
2.4 成像误差29
2.4.1 套刻误差29
2.4.2 边缘偏移30
2.4.3 衍射效应31
2.4.4 物理设计参考32
2.5 氧化物层的涂覆和结构化33
2.5.1 热氧化34
2.5.2 沉积氧化34
2.5.3 刻蚀氧化结构34
2.5.4 局部氧化36
2.5.5 物理设计参考37
2.6 掺杂38
2.6.1 背景38
2.6.2 扩散39
2.6.3 离子注入40
2.6.4 物理设计参考41
2.7 硅层的生长和结构化43
2.7.1 同质外延43
2.7.2 异质外延和多晶硅45
2.7.3 物理设计参考46
2.8 金属化46
2.8.1 基本原理46
2.8.2 无平坦化的金属化结构48
2.8.3 平坦化的金属化结构49
2.8.4 物理设计参考52
2.9 CMOS标准工艺54
2.9.1 基本原理：场效应晶体管54
2.9.2 工艺选项57
2.9.3 FEOL：创建器件58
2.9.4 BEOL：连接器件61
参考文献62
第3章 技术桥梁：接口、设计规则和库63
3.1 电路数据：原理图和网表64
3.1.1 电路的结构描述64
3.1.2 电路描述中的理想化65
3.1.3 电路表示：网表和原理图66
3.2 版图数据：层和多边形69
3.2.1 版图数据的结构69
3.2.2 如何阅读版图视图72
3.2.3 图形操作74
3.3 掩模数据：布局后处理78
3.3.1 概述78
3.3.2 芯片加工79
3.3.3 掩模版图80
3.3.4 版图到掩模制备81
3.4 几何设计规则84
3.4.1 技术约束与几何设计规则84
3.4.2 基本的几何设计规则85
3.4.3 程序化几何设计规则88
3.4.4 裸片装配规则89
3.5 库90
3.5.1 工艺设计包和基本器件库91
3.5.2 单元库92
3.5.3 印制电路板设计库94
参考文献96
第4章 物理设计的方法：模型、风格、任务和流程97
4.1 设计流程97
4.2 设计模型102
4.2.1 三维设计空间102
4.2.2 Gajski-Kuhn Y图104
4.3 设计风格106
4.3.1 全定制和半定制设计106
4.3.2 自上而下、自下而上和中间相遇设计110
4.4 设计任务与工具111
4.4.1 创造：综合111
4.4.2 检查：分析112
4.4.3 消除缺陷：优化113
4.5 物理设计优化与约束113
4.5.1 优化目标113
4.5.2 约束范畴113
4.5.3 物理设计优化114
4.6 模拟和数字设计流程115
4.6.1 模拟和数字设计截然不同115
4.6.2 模拟设计流程118
4.6.3 数字设计流程120
4.6.4 混合信号设计流程120
4.7 模拟设计自动化的愿景122
4.7.1 “连续”版图设计流程122
4.7.2 “自下而上与自上而下”的版图设计流程124
参考文献125
第5章 物理设计的步骤：从网表生成到布局后处理126
5.1 使用硬件描述语言生成网表126
5.1.1 概述和历史126
5.1.2 元素和示例127
5.1.3 流程128
5.2 使用符号设计输入生成网表129
5.2.1 概述129
5.2.2 元素和示例129
5.2.3 网表生成132
5.3 物理设计的主要步骤133
5.3.1 分区和布局规划134
5.3.2 布局138
5.3.3 布线140
5.3.4 使用符号压缩的物理设计143
5.3.5 使用标准单元的物理设计144
5.3.6 印制电路板的物理设计145
5.4 验证149
5.4.1 基本原理150
5.4.2 形式验证153
5.4.3 功能验证：仿真153
5.4.4 时序验证155
5.4.5 几何验证：DRC、ERC156
5.4.6 提取和LVS158
5.5 布局后处理161
参考文献163
第6章 模拟IC设计的特殊版图技术164
6.1 方块电阻：用正方形计算164
6.2 阱166
6.2.1 实施166
6.2.2 击穿电压168
6.2.3 电压相关间距规则168
6.3 器件：版图、连接和尺寸169
6.3.1 场效应晶体管（MOSFET）169
6.3.2 电阻173
6.3.3 电容175
6.3.4 双极型晶体管177
6.4 单元生成器：从参数到版图179
6.4.1 概述179
6.4.2 示例180
6.5 对称的重要性182
6.5.1 绝对精度和相对精度：巨大的区别182
6.5.2 通过匹配器件获得对称性183
6.6 版图匹配概念184
6.6.1 内部器件边缘效应的匹配概念185
6.6.2 未知梯度的匹配概念190
6.6.3 外部器件边缘效应的匹配概念193
6.6.4 已知梯度的匹配概念193
6.6.5 方向相关效应的匹配概念194
6.6.6 匹配概念总结196
参考文献197
第7章 解决物理设计中的可靠性问题198
7.1 硅中的寄生效应198
7.1.1 衬底去偏置198
7.1.2 注入少数载流子201
7.1.3 闩锁效应203
7.1.4 p-n结的击穿电压（又称阻断能力）205
7.2 表面效应206
7.2.1 寄生通道效应206
7.2.2 热载流子注入208
7.3 互连寄生209
7.3.1 线路损耗210
7.3.2 信号失真210
7.3.3 串扰212
7.4 过电压保护212
7.4.1 静电放电（ESD）212
7.4.2 天线效应221
7.5 金属中的迁移效应224
7.5.1 电迁移225
7.5.2 热迁移226
7.5.3 应力迁移227
7.5.4 缓解电迁移229
7.5.5 缓解热迁移和应力迁移232
参考文献233
前 言
当伦敦邮局的一位工程师厌倦了在连接器之间整理数百根缠结的电缆时，他在1903年申请了一项名为“电缆的改进或连接以及电缆的对接”的专利，但很可能没有预见到“层压在绝缘板上的扁平箔导体”的广泛影响。于是，印制电路板（PCB）诞生了，并获得了工程上的成功。第一块电路板需要极高的制造技能—电子器件被固定在弹簧之间，并通过Pertinax铆钉进行电气连接。铜层压绝缘层于1936年问世，引领了可靠的大规模生产PCB的技术路径。这些电路板使人们能够制造价格低廉的电子设备，如收音机，从此成为每个人家中不可或缺的物品。
1942年微型真空管的发明开创了第一代现代电子技术。最早的大型计算设备，电子数值积分器和计算机（ENIAC）都包含了可观的20000个真空管。
1948年，晶体管的发明启动了第二代计算设备。经验证，这些晶体管比其前身的真空管更小、发热更低、更可靠，从而实现了真正的便携式电子设备，如小型晶体管收音机。
20世纪60年代见证了第三代电子产品的曙光，迎来了集成电路 (IC) 的发展。与半导体存储器一起，使系统设计变得越来越复杂和小型化。随后，在1971年，我们目睹了第一个微处理器的诞生，随后不久又取得了一系列技术突破，其影响在今天仍然显而易见。1973年，摩托罗拉开发了第一个原型移动电话，1976年苹果电脑推出了AppleⅠ，1981年IBM推出了IBM PC。这些发展预示着iPhone和iPad在21世纪之交变得无处不在，随后是智能、基于云计算的电子产品，它们充实、促进和改善了我们今天的生活。如今，即使是最便宜的智能手机中的晶体管也比银河系中的恒星更多！
这一工程领域的巨大成功依赖于一个关键步骤：将抽象但日益复杂的电路描述转化为详细的几何版图，随后可以“真实”地制造而无瑕疵。这一步，称为版图设计或物理设计, 它在业界也被称为在每个电子电路设计流程的后端（在本书中使用的术语）。在该步骤中必须生成制造PCB和IC所需的所有说明。本质上，抽象电路描述中的所有元件（包括器件符号和它们之间的接线）都被转换为描述几何对象的格式，例如线迹和钻孔（对于PCB）或包括数十亿个矩形形状的掩模版图图案（对于IC）。然后，在IC制造过程中，用这些设计图在硅片表面“神奇地创建”物理电气网络，当电子通过系统发送时，IC执行与初始电路描述中设想的功能完全相同的功能。如果没有这个物理设计阶段，我们甚至连最简单的收音机都不会有，更不用说笔记本电脑、智能手机或我们今天设想的无数电子设备了。
物理设计曾经是一个相当简单的过程。从描述逻辑电路元件和互连的网表、工艺文件和器件库开始，电路设计师将使用平面布局图来确定不同电路模块应放置在何处，然后以所谓的布局和布线步骤来排列和连接单元和器件。任何电路和时序问题都可以通过局部迭代改进版图来解决。
时代飞速向前；如果前几代电路设计复杂性类似于城镇和村庄，那么现代设计就涵盖了整个国家。例如，如果当今的一个集成电路（例如智能手机中的集成电路）中的线路按照常规街道尺寸进行布局，则最终芯片的面积将覆盖美国和加拿大的总和！因此,今天的数十亿晶体管电路和异构堆叠的PCB需要一个更复杂的物理设计流程。首先划分电路描述，以分解复杂性并允许并行设计。一旦我们在布局规划时安排好分区的模块和接口，这些模块就可以独立处理了。第一步是器件布局，紧随其后的是布线连接。物理验证检查、执行时序和其他约束以及多个措施应用于布局后处理，以确保IC和PCB版图的可制造性。
物理/版图设计领域已经远远超出了一个人可以处理的所有流程。版图生成过程中要考虑的约束变得极其复杂。风险很高：可靠性检查的一次缺失可能会使数百万美元的设计变得无用。生产单个工艺节点的制造设备花费很容易超过10亿美元。研究论文描述了大量这些问题的解决方案；然而，其庞大的体量使得工程师无法跟上最新的发展。
考虑到高风险和难以置信的复杂程度，迫切需要暂时放缓快速发展的势头，而考虑这个极其广泛和复杂的设计阶段的基础。学生需要学习和理解今天的复杂版图背后的基本步骤“为什么”和“如何”，而不仅仅是“什么”。随着新技术的应用日益激烈的竞争，工程师和专家都需要更新他们的知识，拓宽他们的视野。由于摩尔定律，持续的等比例缩放被新技术和异构技术所取代，新的物理设计方法进入了该领域。要成功地掌握这些挑战，需要对物理设计的基本方法、约束、接口和设计步骤有充分的了解。这就是《电子电路版图设计基础》的价值所在。
在第1章对通用电子设计进行了全面的基础学习之后，我们在第2章介绍了基本的工艺知识。这些知识为理解物理设计在当今成为如此复杂过程并具有多重约束和要求奠定了基础。第3章着眼于 “从外部”生成版图—它的接口是什么，我们如何以及为什么需要设计规则和外部库？第4章介绍了物理设计作为一个完整的端到端过程及其各种方法和模型。第5章接着深入到生成版图所涉及的各个步骤，包括其多种验证方法。第6章向读者介绍了模拟设计所需的独特的版图技术，第7章阐述了提高生成版图可靠性这一日益重要的主题。
《电子电路版图设计基础》是两位作
1942年微型真空管的发明开创了第一代现代电子技术。最早的大型计算设备，电子数值积分器和计算机（ENIAC）都包含了可观的20000个真空管。
1948年，晶体管的发明启动了第二代计算设备。经验证，这些晶体管比其前身的真空管更小、发热更低、更可靠，从而实现了真正的便携式电子设备，如小型晶体管收音机。
20世纪60年代见证了第三代电子产品的曙光，迎来了集成电路 (IC) 的发展。与半导体存储器一起，使系统设计变得越来越复杂和小型化。随后，在1971年，我们目睹了第一个微处理器的诞生，随后不久又取得了一系列技术突破，其影响在今天仍然显而易见。1973年，摩托罗拉开发了第一个原型移动电话，1976年苹果电脑推出了AppleⅠ，1981年IBM推出了IBM PC。这些发展预示着iPhone和iPad在21世纪之交变得无处不在，随后是智能、基于云计算的电子产品，它们充实、促进和改善了我们今天的生活。如今，即使是最便宜的智能手机中的晶体管也比银河系中的恒星更多！
这一工程领域的巨大成功依赖于一个关键步骤：将抽象但日益复杂的电路描述转化为详细的几何版图，随后可以“真实”地制造而无瑕疵。这一步，称为版图设计或物理设计, 它在业界也被称为在每个电子电路设计流程的后端（在本书中使用的术语）。在该步骤中必须生成制造PCB和IC所需的所有说明。本质上，抽象电路描述中的所有元件（包括器件符号和它们之间的接线）都被转换为描述几何对象的格式，例如线迹和钻孔（对于PCB）或包括数十亿个矩形形状的掩模版图图案（对于IC）。然后，在IC制造过程中，用这些设计图在硅片表面“神奇地创建”物理电气网络，当电子通过系统发送时，IC执行与初始电路描述中设想的功能完全相同的功能。如果没有这个物理设计阶段，我们甚至连最简单的收音机都不会有，更不用说笔记本电脑、智能手机或我们今天设想的无数电子设备了。
物理设计曾经是一个相当简单的过程。从描述逻辑电路元件和互连的网表、工艺文件和器件库开始，电路设计师将使用平面布局图来确定不同电路模块应放置在何处，然后以所谓的布局和布线步骤来排列和连接单元和器件。任何电路和时序问题都可以通过局部迭代改进版图来解决。
时代飞速向前；如果前几代电路设计复杂性类似于城镇和村庄，那么现代设计就涵盖了整个国家。例如，如果当今的一个集成电路（例如智能手机中的集成电路）中的线路按照常规街道尺寸进行布局，则最终芯片的面积将覆盖美国和加拿大的总和！因此,今天的数十亿晶体管电路和异构堆叠的PCB需要一个更复杂的物理设计流程。首先划分电路描述，以分解复杂性并允许并行设计。一旦我们在布局规划时安排好分区的模块和接口，这些模块就可以独立处理了。第一步是器件布局，紧随其后的是布线连接。物理验证检查、执行时序和其他约束以及多个措施应用于布局后处理，以确保IC和PCB版图的可制造性。
物理/版图设计领域已经远远超出了一个人可以处理的所有流程。版图生成过程中要考虑的约束变得极其复杂。风险很高：可靠性检查的一次缺失可能会使数百万美元的设计变得无用。生产单个工艺节点的制造设备花费很容易超过10亿美元。研究论文描述了大量这些问题的解决方案；然而，其庞大的体量使得工程师无法跟上最新的发展。
考虑到高风险和难以置信的复杂程度，迫切需要暂时放缓快速发展的势头，而考虑这个极其广泛和复杂的设计阶段的基础。学生需要学习和理解今天的复杂版图背后的基本步骤“为什么”和“如何”，而不仅仅是“什么”。随着新技术的应用日益激烈的竞争，工程师和专家都需要更新他们的知识，拓宽他们的视野。由于摩尔定律，持续的等比例缩放被新技术和异构技术所取代，新的物理设计方法进入了该领域。要成功地掌握这些挑战，需要对物理设计的基本方法、约束、接口和设计步骤有充分的了解。这就是《电子电路版图设计基础》的价值所在。
在第1章对通用电子设计进行了全面的基础学习之后，我们在第2章介绍了基本的工艺知识。这些知识为理解物理设计在当今成为如此复杂过程并具有多重约束和要求奠定了基础。第3章着眼于 “从外部”生成版图—它的接口是什么，我们如何以及为什么需要设计规则和外部库？第4章介绍了物理设计作为一个完整的端到端过程及其各种方法和模型。第5章接着深入到生成版图所涉及的各个步骤，包括其多种验证方法。第6章向读者介绍了模拟设计所需的独特的版图技术，第7章阐述了提高生成版图可靠性这一日益重要的主题。
《电子电路版图设计基础》是两位作
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