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【ホワイトペーパー】DO-254イベントの回避 - メジャー/マイナー変更の分類

ホワイトペーパー

DO-254: 航空機搭載電子機器の設計保証に関するガイダンス

半導体のASICや標準品は、製品ライフサイクルとして製造中止に直面します。
そのため形状、適合性及び機能的に同等のデバイスを作成する必要が出てきます。

これを実現する手法は、技術的複製と呼ばれ最もリスクが低くコスト効率の高い方法になります。

このホワイトペーパーの目的は、この手法の重要な特徴を概説し、
D6-82768-1 セクション3.0サブグループ – 特定設計変更分類ガイドラインに従って、
提案された変更をマイナーチェンジに分類することができることを立証することです。

内容の詳細
・プロセスの相違- 技術変換vs技術複製
・ASICまたは標準製品複製の概要
・結果/比較分析:「論より証拠」
・単一のパラメータ/条件の例
・テスト概要と討議
・D6-82768-1 メジャー/マイナー変更のガイドライン

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ドキュメント名 【ホワイトペーパー】DO-254イベントの回避 - メジャー/マイナー変更の分類
ドキュメント種別 ホワイトペーパー
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登録カテゴリ
取り扱い企業 Rochester Electronics,Ltd. (この企業の取り扱いカタログ一覧)

このカタログの内容

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ロチェスターエレクトロニクス ホワイトペーパー DO-254 イベントの回避: メジャー/マイナー変更の分類 (DO-254:航空機搭載電子機器の設計保証に関するガイダンス) ロチェスターエレクトロニクス LLC • グローバル本社 • 16 Malcolm Hoyt Drive • Newburyport, MA 01950 USA 978.462.9332/www.rocelec.com
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スコープ(範囲) 半導体のASICや標準品は、製品ライフサイクルとして製造中止に直面します。そのため形状、適合 性及び機能的に同等のデバイスを作成する必要が出てきます。これを実現する手法は、技術的複製 と呼ばれ最もリスクが低くコスト効率の高い方法になります。 この手法の重要な特徴を概説し、D6-82768-1 セクション3.0サブグループ – 特定設計変更分類ガイ ドラインに従って、提案された変更をマイナーチェンジに分類することができることを立証するこ とがこの文書の目的です。 プロセスの相違 – 技術変換 vs 技術複製 ASICまたは標準品の「技術変換」とは、設計をあるプロセスから別のプロセスに移植することで、 半導体メーカーが自社の複数のファブで製品製造する方法とよく似ています。同じベンダー内また は異なるベンダー間での異なる製造プロセスや構造的サイズの変更、またはその両方のために種々 のバリエーションが存在します。ASIC または標準品の従来の手法「技術変換」では、設計の機能的 同等性を維持しながら、ネットリストの追加合成やソースコードの再合成を通じてデザインの物理 的内容を再構築する必要があります。物理的内容とは、セル設計、ダイ上のセル配置、セル出力の 駆動強度、およびセルを接続するためのルーティントラックなどを含みます。これらの物理的変更 は、設計機能を変更するものではありませんが、信号のタイミング、消費電力、ダイサイズ等の変 更を伴います。 ロチェスターエレクトロニクスは、「技術複製」と呼ばれる別の手法を使用して、陳腐化の問題解 決を提案し実証しました。技術複製の背景にある考え方は、2つのメーカー間の基本的なシリコン性 能を一致させることです。複製は、レガシー技術が使用できない場合、レガシー技術と互換性のあ る性能特性と機能サイズを持つプロセス技術を選択することから始まります。トランジスタゲート サイズやメタル幅などの標準的なチューニングポイントを慎重に変更することで、回路性能を複製 することができます。トランジスタの I/V 曲線と金属抵抗のマッチングにより、シグナリングエッ ジレートと伝播遅延が厳密に一致します。プロセス、電圧および温度を含む全ての変動にわたって シリコン性能の同等性が達成されるように注意が払われます。 設計内容は、GDSII マスクデータを介してターゲット技術に移行されます。GDSII マスクデータは、 回路カードのアートワークに似ており、トランジスタ、配線、ビアなどの物理的な特徴を構成する ために使用される積層されたシリコンレイヤーを表します。GDSII マスクデータが利用できない場 合でも、レイヤーごとに小さな回路イメージに分解することによりそれを生成することができます。 技術変換とは異なり、技術複製では、GDSII マスクデータが転用され、元の設計の完全な物理的内 容が保持されます。セル設計、セル配置、セル駆動強度、ルーティントラックなどの物理的な側面 は変更されません。再合成や配置・再配線の必要はありません。相互接続とセル位置の全中心点は 同一です。 技術複製の重要な要素は、トランジスタレベルの等価性(コンデンサー、抵抗、ダイオードなど) を確立することです。チューニングポイントは幾何学的パラメータとして表され、これらのパラメ ータは元の設計から実際の GDSII「アートワーク」に直接反映されます。それに応じてシリコンや 金属構造のサイズが変更されます。全てのサイズ変更は、使用するベンダープロセスの物理設計ル ールチェクに準拠します。一般的なチューニング調整は、デバイスの中心点を同一に保ちながら 5 〜 10%の範囲で行われます。 © Rochester Electronics LLC 2
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ASICや標準品の複製の最終結果は、形状、適合性、およびトランジスターレイヤーまでの機能が同 等のデバイスです。同じパッケージ、同じダイサイズです。ベンダライブラリの観点から見ると、 各要素(AND、OR、DFF など)は以前と同じ相対位置に配置され、各配線ルートはまったく同じ パスをとります。各信号の伝搬遅延およびエッジレートは、レガシーデバイスと同じプロセスおよ び許容範囲内にとどまります。 プロセスの変化は、単一の製造業者および単一プロセスからでも不可避です。 その変化は、複数の ロット全体にわたってまたは単一のロット内でさえ発生し、その変化に適応するマージンが設計に 組み込まれます。技術複製は、レガシー技術の性能特性に該当するプロセスウィンドウを確立しま す。したがって、設計マージンは適用可能なままであり、設計はプロセス変化に対して特に問題に なりません。 次の表は、技術変換と技術複製の違いをまとめたものです。 特性 技術変換 技術複製 形状、適合性、機能 はい はい の同等性 ロジックセル 機能的には同等だが、技術的に異なる。 同一のセル I/O セル 機能的には同等だが、技術的に異なる。タ 同一のセル ーゲットベンダーのI / Oセルオプションの 中から最も近いセルを選択 トランジスタレベル 技術的な違い 性能特性はレガシートランジスタと の特性評価 一致 I/O および論理セルの 機能的には同等だが、タイミングおよび 同一の経路 相互接続 DRC ルールに合うように変更できる(再 合成されたクロック分配またはロード/フ ァンアウトのためのバッファの追加) I/O およびロジックセ 異なる配置 同一配置 ル配置 内部タイミング レジスタ間のタイミング制約は満たされる 同じタイミング。パスの全要素は、 が、個々のセルとパス遅延が異なる。 レガシーデバイスの性能ウィンドウ 内の伝播遅延を示す。 内部エッジレート 異なるエッジレート 同じタイミング。パスの全要素は、 レガシーデバイスの性能ウィンドウ 内の伝播遅延を示す。 I/O タイミング IOタイミングの制約は満たされるが、元の 同じタイミング。全I/Oピンは、レガ I/Oタイミング要件を満たすようにセル構 シーデバイスの性能ウィンドウ内の 造が変更される。(すなわち保持時間を維 伝播遅延を示す。 持するためのバッファの追加) I/O電圧しきい値 同じ 同じ I/O エッジレート 異なる。I/O エッジレートは、「ベストマ 同じ。全 I/O エッジレートは、レガシ ッチ」I/O セル選択により調整される。 ーデバイスの性能ウィンドウ内。 ASICまたは標準製品複製の概要 © Rochester Electronics LLC 3
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1)レガシープロセスが利用できない場合、元のプロセスとほぼ一致するパラメータを有する既存の 運用可能なファウンダリーラインを特定します。Motorola や Thomson 6802 又は他の8ビット NMOS 製品では、GMCH (General Motors Components Holdings) がレガシープロセスを持っていま す。 2) 元の GDSII マスクデータを検索します。Motorola/Freescale、LSI、AMCC、Intel、Fairchild、 National、AMD など多くの製品において、ロチェスターエレクトロニクスは元のGDSIIマスクデー タを持っています。ロチェスターエレクトロニクスが元の GDSII データを持っていない場合は、 GDSII データベースを再作成するためにレイヤーごとに分解しイメージ化することができます。 3) サンプルデバイスの断面解析を行います。トレース幅、絶縁体の厚さ、チャネル長、その他のパ ラメータを測定し、元のマスクおよびプロセス仕様と比較します。これは、元の製品が標準プロセ スに基づいて構築され、リリース後の変更やプロセスの調整がないことを保証するために行われま す。この分析により、レガシープロセスが利用できない場合のターゲット技術に対するプロセス変 動ウィンドウ(ガードバンド)要件が確認されます。 4) 元のデバイスプロセスモニタ構造から実証的データを取得します。これらの構造は、テストトラ ンジスタを含み、実際の I-V 曲線を生成するために使う事ができますが、より価値のある完全なプ ロセス構造も含んでいます。 5) レガシープロセスを使用していない場合は、ターゲット技術の SPICE モデルを確保します。この SPICE モデルは、ターゲット技術へのアラインメントを保証するための実証的データ入力を提供し ます。 6) レガシープロセスが利用できない場合は、標準のプロセスパラメータを設定して、SPICE モデル の性能を元のデバイスの SPICE モデルの性能と一致させます。これによりトランジスタおよび相互 接続レベルで同等性が確立されます。同等性は、製造プロセス、動作電圧、および動作温度を含む 標準的な変動に渡って確立されます。全ての変更は、ターゲットファウンダリーでの設計ルールチ ェックによる制約を考慮する必要があります。 7) 等価パラメータに従って GDSII マスクセットを変更します。これらのパラメータは幾何学的要素 として表されます。トレース幅および長さは、望ましいトランジスタサイズおよび駆動特性を反映 するために必要に応じて変更されます。ビアは新しいベンダーの設計ルールチェックに適合するよ うに修正されます。これも、レガシープロセスが利用できない場合です。 8) 新しいASICまたは標準製品は、レガシープロセスが利用できない場合、新しいターゲットプロセ スを対象とした調整済み GDSII マスクセットを使用して製造されます。 9) レガシー ASIC や標準製品の電気的特性を、新しく作成されたASICや標準製品と比較します。こ れを行うための迅速で簡単な方法の一つは、これらの構造が存在する場合はいつでも各ダイからの プロセスモニタのI-V曲線を比較することです。最終結果は、元のデバイスとテスト済みの複製され たデバイスの比較分析レポートです。 結果/比較分析:「論より証拠」 © Rochester Electronics LLC 4
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ロチェスターエレクトロニクスは、新たに製造(技術複製)されたデバイスをオリジナルのデバイ スに対しての包括的な比較分析およびパラメータ検証を行います。このプロセスでは、再現された デバイスが機能的、電気的および機械的に互換性があり、製造されたオリジナルデバイスと互換性 があることを示すために物理的検証テストと分析が必要です。 この分析は、全てのデータブックパラメータ;スレッシュホールド測定値、シグナルインテグリテ ィ、エッジレート、ソース電流とシンク電流、およびインピーダンス; について、全ての電圧および 温度条件に対して実行されます。これは、オリジナルデバイスと比較して、再作成されたデバイス の電気的「同一性」を最終的に決定する「証明」になります。 これを行うために、ロチェスターエレクトロニクスは、標準的なソフトウェアツール(Microsoft Excel および StatSoft Statistica)と統合された独自開発の(独自仕様の)ソフトウェアツールを持 ち、デバイスの特性評価および比較分析レポートのデータ管理と分析を完全に自動化しています。 複数のデータセットの比較およびトレンド識別のために固有の独自の統計的方法が開発され、デバ イスおよびターゲット技術のためにカスタマイズすることができます。これら特別に開発された技 術は、傾向分析を実行し異常特性を特定する強力なツールになります。 ロチェスターエレクトロニクスは、標準および独自のソフトウェアツールを使用して評価し ます: 統計的分類 重要性 中心傾向の指標 データが集中する傾向がある値 変動の指標 個々のデータポイント量はそれぞれ異なる 標準化された個々のデータポイントは、データセ 位置の指標 ット全体に対する相対的な位置を示し、データの 広がりも表示する プロセス能力 プロセスが定義された仕様を満たす能力 デバイスデータセット内の注目すべき傾向と特性 傾向分析と異常特性の認識 の違いを特定する この情報は、複合ボックスおよびウィスカープロットを使用して、記述的に(統計表形式)および チャート形式に変換および要約されます。全てのグラフは、各特性パラメータの合成であり、OCM (オリジナルメーカー) とロチェスター両方の製造データから複数の温度条件に渡ってデータを構 成します。ヒストグラムは、データの形状を表示するために選択され、正規分布曲線に適合されま す。ウィスカープロットは、平均値や標準偏差に基づいていないため極値に敏感ではないため、複 数のデータセットを比較するときに最も便利です。 © Rochester Electronics LLC 5
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単一のパラメータ/条件の例 温度 Mfg. VCC 平均 中央 最小 最大 標準偏差 LSL USL cp cpi cpu cpk OEM 1.62 1.6 1.58 1.67 30.9E-03 6.47 8.85 4.1 4.1 低温 REI 1.59 1.58 1.53 1.64 32.2E-03 6.21 8.18 4.24 4.24 VIL OEM VCCL 1.4 1.39 1.37 1.43 17.E-03 800.E- 11.8 11.8 11.8 11.8 室温 REI 1.34 1.34 1.27 1.36 22.5E-03 03 2 8.89 8 9.78 8 OEM 1.11 1.11 1.06 1.13 19.7E-03 10.2 5.25 15.1 5.25 高温 REI 1.09 1.09 1.03 1.13 27.4E-03 7.3 3.53 11.1 3.53 最小/ 平均/ 最大/ 平均/ t-テ LSL LSL USL USL サンプル数 分散 範囲 尖度 歪度 t-値 スト 196% 203% 22 957.E-06 90.E-03 -1.29 427.E-03 191% 199% 242 1.E-03 110.E-03 -1.69 36.5E-03 171% 175% 22 287.E-06 60.E-03 -1.03 -50.1E- 03 159% 168% 242 507.E-06 110.E-03 -40.E-03 -813.E- 03 133% 139% 22 389.E- 06 70.E-03 764.E-03 -1.12 129% 136% 242 751.E- 100.E- 06 03 -1.38 10.E-03 REI コンポジションボックス&ウィスカープロット デバイス:27S185、日付コード:1027、ウェーハ拡散:M0D064-0813/ウェーハ#6 テストパラメータ: VL_VCCL ボックスプロットは、中心 傾向、データの広がり、外 れ値データの存在を明らか にする。 © Rochester Electronics LLC 6 作成日時:2010/08/05 12:15:42
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REI コンポジションボックス&ウィスカープロット デバイス:27S185、日付コード:1027、ウェーハ拡散:M0D064-0813/ウェーハ#6 テストパラメータ: VL_VCCL ヒストグラムはデータの 形状を表示し、正規分布 曲線に適合されます。 テスト概要と討議: ロチェスターエレクトロニクスの比較分析と特性評価は、詳細な結果を提供しオリジナルデバイス とロチェスター再作成デバイスのマッチングを、標準および独自の統計技術を利用して定量化しま す。ロチェスターエレクトロニクスは、Rubyith (7-9um) から .25um CMOS 技術に至るまで、何百 もの再作成されたデバイスのデバイステストにこの広範かつ徹底したアプローチを続けています。 D6-82768-1 メジャー/マイナー変更のガイドライン D6-82768-1 セクション3.2では、陳腐化のためにASICまたは標準製品を変更または交換することを 説明しています。変更の影響を判断する必要がある場合は、変更がメジャーまたはマイナーかを判 断するためのガイダンスを提供します。 D6-82768-1のマイナーな変更と生産工程の保存についての説明はアライアンスが取れています。技 術複製の目的は、分析的手法と実験的手法を組み合わせることで、オリジナルの生産プロセスと同 等の機能を果たす基本的な生産プロセスを創出することです。成功の基準は、シリコン性能の実証 された複製とオリジナルのプロセス変動ウィンドウの保持です。これらの基準を満たすことは、通 常の半導体生産のために製造メーカーに与えられる自由と変わりません。プロセスマージンを構築 し、ばらつきに対する設計の堅牢性を確立することで、ベンダーが正常かつ予期されたプロセス変 動を受けながら確実に製品を複製できるようになります。同じ性能とプロセスの分散特性を示す複 製された技術を確立することで、同じ基準が達成されます。 © Rochester Electronics LLC 7 作成日時:2010/08/05 12:15:42
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D6-82768-1 によって ASIC や標準製品について引用された大きな変化の一形態は、ネットリストの 変更でしょう。技術の複製手順はネットリストの変更とは関連付けられていません。設計に導入さ れた機能的な変更や拡張はなく、設計上のエラーは修正されていません。また、実際のネットリス ト自体は複製手順全体に影響を与えません。D6-82768-1 によってASICや標準製品について引用さ れたメジャー変更の別形態は、半導体技術が変更される場合です。半導体の変更には3つの例があり、 そのうち 2 つは適用できません。ASIC から PLD への変換はなく、ASIC や標準製品は異なる技術 ファミリーには変換されていません。技術ファミリーの変化の例として、ゲートアレイからASIC、 標準セルからカスタムセルなどがあります。技術複製の場合、基本的な技術ファミリーは保持され ます。 残りの例では、同じファミリー内で動作電圧、設計、特性、サイズ、または信号応答時間に影響を 与える他の特性が異なる技術に変更されます。動作電圧は変化しません。技術複製アプローチの主 な目的は、ASIC または標準製品の伝達特性を維持することです。基本的な設計機能サイズは変更さ れませんが、項目6で特定されているように、システム性能に合わせてトランジスタを調整するため には小さな変更が必要です。ロチェスターエレクトロニクスは、トランジスタとメタルレイヤーで 一連のステップと確認を行い、ネット全体の結果が全ての信号特性を完全に保持することを保証し ます。 プロセスの類似性との関連において、複製プロセスがマイナーチェンジ分類に該当すると言うのが ロチェスターエレクトロニクスの立場です。要求に応じて追加のデータを提示して、アプローチを より詳細に説明し、マイナー変更の分類を実証することができます。 © Rochester Electronics LLC 8