可制造性与可靠性设计：提高工艺成品合格率与产品可靠性

电子系统从微电子技术向纳电子技术的转变极大地提高了电子系统的功能，以及系统芯片和系统级封装的应用范围。所付出的代价是电子系统的设计效率很难跟上其日益增加的复杂性和功能性。因此，高要求的电子系统方案必须能够准确把握系统企业（System House）提供的正式设计说明，从而使设计人员在可用技术的基本约束范围内探索高级的系统和架构。必须支持产品开发所有方面，如数字、模拟/混合信号、功率电子学、嵌入式软件和微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）与纳机电系统（Nicro-Electro-Mechanical System，NEMS）等非电气部件。目前，产品设计日趋复杂，通常包括以下内容：系统级设计、硬件和软件联合设计、电路设计、封装设计、装配设计、在测试和可靠性及可制造性约束下产品的物理实现。故而设计复杂产品就需要产品设计所涉及的所有学科的专业知识。下面简要给出产品设计面临的挑战。

（1）异质系统设计

越来越多的复杂异质系统装配体会通过三维方式（晶片级封装）互连，并由不断增加的软件所控制。设计这些异质系统就需要新的方式和方法来组建异质系统的子系统。同时，需要在不同的抽象水平来处理连接数字量/模拟量、硬件/软件、电气/机械等的界面。另一个重要问题是设计平台和再利用技术。假如没有开发出一套设计平台和再利用技术来满足更多产品特征的要求，从经济角度看，产品设计就是不可持续的。

（2）可制造性设计

可制造性设计旨在加快工艺的增长，提高工艺的成品合格率、鲁棒性和可靠性。为了能够达到这些目的，需要努力开发并实现随机和系统的产量损失估计技术。这样的估计技术可通过产量模型和基于工艺的设计流程来实现，以便在设计流程的早期就能对产品进行产量优化设计，从而减小高成本的往复优化过程。(www.xing528.com)

（3）可靠性设计

可靠性设计旨在预测、优化和提前设计产品和工艺的可靠性。要达到这个目的，需要广泛的研究活动，如对材料特性、对多种负荷情况下材料的恶化和失效机理建立基本的理解，加速的可靠性鉴定试验，先进的故障分析，以及多物理的、多尺度的且能够预测失效发展过程的各种准确模拟模型。另外的问题有，日趋增加的软错误、变异性和后90nm技术的软失效机理。解决这些问题需要研究自修复电路和自调整结构。

嵌入式系统对纳米电子的成功将有重大影响。单靠卓越的硬件技术并不能保证产品的商业成功。众所周知，为了提高芯片的功率效率，人们花费了巨大的努力来把集成芯片后端堆栈的相对介电常数从2.3减小到2.0，即把其介电常数降低了约15%，但是这导致了严重的产量问题。然而，软件优化能以2～10的因子^[5]提高功率效率和性能。两者对比，软件优化显然更好。显而易见，加工技术、材料、器件结构和设计技术需要同步变化，以便开发出软件主导的平台来满足未来应用的需要。

值得强调的是，集成遵循摩尔和超越摩尔产品的功能和市场前景强烈依赖于其嵌入软件的作用。目前有一种强烈的趋势，即越来越多的软件要具有更高的功能多样性和更复杂的结构。据估计，今后在汽车产业的所有创新中有70%会涉及软件，且大部分的其他产业也呈现出类似的发展趋势。目前，对嵌入式软件的需要正不断增长，而如下需求也促进了人们对嵌入式软件的需要：附加异机种功能、实时性能、子系统分布、多系统与平台的再利用和长寿命期内的可靠性。因系统的能力正在成为衡量未来技术开发是否成功的一个关键标准，则迫切地需要把纳米电子技术与嵌入式系统和系统级设计集成在一起。硬件和软件协同设计的另一个触发因素则来自如下事实：设计任务数目及任务复杂性的显著增加已经导致所谓“设计沟壑”现象，即理论上应集成在系统中的零部件与实际上能够集成在其中的部件之间的差别，以及应该制造的产品与已设计的产品之间的差别。