Diseño para la fabricación

A medida que la tecnología de semiconductores se reduce a nodos más pequeños, los transistores y las interconexiones se vuelven increíblemente densos y sensibles a variaciones sutiles en el proceso de fabricación. Estas variaciones pueden provocar defectos que causen fallos en los chips o una degradación de su rendimiento. El diseño para la fabricación (DFM, por sus siglas en inglés) busca minimizar el impacto de estas variaciones, mejorando el rendimiento y haciendo que la fabricación de chips sea más rentable.

Reglas de diseño

Las fundiciones proporcionan reglas de diseño detalladas que especifican las dimensiones mínimas, el espaciado y otras restricciones geométricas que deben cumplirse para una fabricación exitosa. Las herramientas de diseño compatibles con DFM (Diseño para la Fabricación ) verifican automáticamente los diseños según estas reglas, señalando posibles infracciones para su corrección.

Variabilidad del proceso

Las técnicas DFM (Diseño para la Fabricación) tienen en cuenta la variabilidad inherente a los procesos de fabricación, como la litografía , el grabado y la deposición. Al simular cómo las variaciones podrían afectar a estructuras de diseño específicas, los diseñadores pueden modificar los diseños para minimizar la sensibilidad a dichas variaciones.

Optimización del rendimiento

El diseño para la fabricación (DFM, por sus siglas en inglés) busca maximizar el rendimiento, es decir, el porcentaje de chips que funcionan correctamente a partir de una oblea fabricada. Esto implica identificar las áreas críticas del diseño, añadir redundancia e implementar estrategias de diseño que mejoren la probabilidad de una fabricación exitosa.

Fiabilidad

El DFM (Diseño para la Fabricación) abarca técnicas para garantizar la fiabilidad de los chips durante toda su vida útil prevista. Esto implica analizar cómo las decisiones de diseño influyen en la electromigración, la inyección de portadores calientes y otros posibles mecanismos de fallo, y diseñar en consecuencia.

Algunas técnicas DFM comunes utilizadas en el diseño de semiconductores incluyen:

Redundancia

Agregar transistores o elementos de circuito adicionales a las rutas críticas, de modo que si un elemento falla, el chip pueda seguir funcionando.

Rellenar patrones

Agregar formas geométricas no funcionales a las áreas vacías de un diseño para mejorar la densidad del patrón y minimizar las variaciones de fabricación locales.

Corrección de proximidad óptica (OPC)

Modificar los patrones de las máscaras para compensar las distorsiones que se producen durante el proceso de litografía.

Reglas de diseño restringidas (RDR)

Un subconjunto de reglas de diseño más conservadoras que las reglas estándar, que ofrecen una mayor facilidad de fabricación.

Simulaciones de rendimiento

Utilizar modelos estadísticos para predecir cómo las variaciones de diseño y proceso afectan al rendimiento, lo que permite realizar modificaciones de diseño fundamentadas.

DFM está integrado en todo el flujo de diseño de semiconductores:

Diseño

Los diseñadores utilizan herramientas compatibles con DFM que comprueban automáticamente si hay infracciones de las reglas y posibles problemas de fabricación.

Verificación

Los procesos de verificación incluyen exhaustivas comprobaciones de diseño para la fabricación (DFM, por sus siglas en inglés) para garantizar que el diseño cumpla con todos los requisitos de fabricación.

Implementación física

Durante esta etapa, se aplican técnicas como la inserción de relleno y el OPC al diseño para la optimización de la fabricación.

Cerrar sesión

Se realiza una exhaustiva comprobación de las reglas de diseño (DRC, por sus siglas en inglés) y una verificación del diseño físico frente al esquema (LVS, por sus siglas en inglés) para garantizar que el diseño esté listo para su fabricación.

El DFM es esencial para la producción exitosa y rentable de dispositivos semiconductores avanzados. ^{[ 2 ]} Al abordar de manera proactiva los problemas de fabricabilidad durante la etapa de diseño, el DFM conduce a:

• Mayores rendimientos
• Mayor rapidez para lanzar productos al mercado.
• Menor riesgo de rediseños
• Menores costos de fabricación

A menos que se utilice un cuarto o quinto eje, una máquina CNC solo puede mecanizar la pieza desde una única dirección. Se debe mecanizar un lado a la vez (operación ) . Luego, la pieza debe girarse para mecanizar todas las características. La geometría de estas características determina si se debe girar la pieza o no. Cuantas más operaciones (giros de la pieza), más costosa será, ya que implica un tiempo considerable de preparación y carga/descarga.

Cada operación (volteo de la pieza) tiene un tiempo de preparación, tiempo de máquina, tiempo de carga/descarga de herramientas, tiempo de carga/descarga de piezas y tiempo para generar el programa NC para cada operación. Si una pieza tiene solo una operación, entonces solo se debe cargar/descargar una vez. Si tiene cinco operaciones, entonces el tiempo de carga/descarga es significativo.

La solución más sencilla consiste en minimizar el número de operaciones (volteo de la pieza) para generar ahorros significativos. Por ejemplo, mecanizar la cara de una pieza pequeña puede llevar solo 2 minutos, pero preparar la máquina para ello puede llevar una hora. O bien, si hay 5 operaciones de 1,5 horas cada una, pero el tiempo total de mecanizado es de solo 30 minutos, se facturan 7,5 horas por tan solo 30 minutos de mecanizado. ^{[ 3 ]}

Por último, el volumen (número de piezas a mecanizar) desempeña un papel fundamental en la amortización del tiempo de preparación, el tiempo de programación y otras actividades en el coste de la pieza. En el ejemplo anterior, una pieza fabricada en cantidades de 10 podría costar entre 7 y 10 veces más que una fabricada en cantidades de 100.

Por lo general, la ley de rendimientos decrecientes se presenta en volúmenes de 100 a 300 porque los tiempos de preparación, las herramientas personalizadas y los dispositivos de fijación se pueden amortizar en el ruido. ^{[ 4 ]}

Los metales más fáciles de mecanizar incluyen el aluminio , el latón y los metales más blandos. A medida que los materiales se vuelven más duros, densos y resistentes, como el acero , el acero inoxidable , el titanio y las aleaciones exóticas, su mecanizado se vuelve mucho más difícil y requiere mucho más tiempo, lo que reduce su facilidad de fabricación. La mayoría de los plásticos son fáciles de mecanizar, aunque la adición de fibra de vidrio o fibra de carbono puede disminuir su maquinabilidad. Los plásticos particularmente blandos y gomosos pueden presentar problemas de maquinabilidad propios.

Los metales se presentan en diversas formas. En el caso del aluminio, por ejemplo, las barras y las planchas son las dos formas más comunes para la fabricación de piezas mecanizadas. El tamaño y la forma del componente pueden determinar qué forma de material debe utilizarse. Es habitual que los planos de ingeniería especifiquen una forma u otra. Las barras suelen costar aproximadamente la mitad que las planchas por libra. Por lo tanto, aunque la forma del material no esté directamente relacionada con la geometría del componente, se puede reducir el coste en la fase de diseño especificando la forma menos costosa.

Un factor importante que influye en el costo de un componente mecanizado es la tolerancia requerida para su fabricación. Cuanto más estricta sea la tolerancia, más costoso será el mecanizado. Al diseñar, especifique la tolerancia mínima que cumpla con la función del componente. Las tolerancias deben especificarse para cada característica individualmente. Existen métodos ingeniosos para diseñar componentes con tolerancias más bajas que ofrezcan un rendimiento similar al de aquellos con tolerancias más altas.

Como el mecanizado es un proceso sustractivo, el tiempo para eliminar el material es un factor importante para determinar el costo del mecanizado. El volumen y la forma del material a eliminar, así como la velocidad de avance de las herramientas, determinarán el tiempo de mecanizado. Al usar fresas , la resistencia y rigidez de la herramienta, que está determinada en parte por la relación longitud-diámetro de la herramienta, desempeñará el papel más importante en la determinación de esa velocidad. Cuanto más corta sea la herramienta en relación con su diámetro, más rápido se podrá avanzar a través del material. Una relación de 3:1 (L:D) o inferior es óptima. ^{[ 5 ]} Si no se puede lograr esa relación, se puede utilizar una solución como la que se muestra aquí. ^{[ 6 ]} Para agujeros, la relación longitud-diámetro de las herramientas es menos crítica, pero aún así debe mantenerse por debajo de 10:1.

Existen muchos otros tipos de características cuyo mecanizado es más o menos costoso. Generalmente, los chaflanes son más baratos de mecanizar que los radios en los bordes horizontales exteriores. La interpolación 3D se utiliza para crear radios en bordes que no están en el mismo plano, lo que supone un coste 10 veces mayor. ^{[ 7 ]} Los socavados son más caros de mecanizar. Las características que requieren herramientas más pequeñas, independientemente de la relación L:D, son más costosas.