製造性を考慮した設計

半導体技術がより微細なノードへとスケールアップするにつれ、トランジスタや相互接続は非常に高密度化し、製造工程におけるわずかなばらつきにも敏感になります。こうしたばらつきは、チップの誤動作や性能低下を引き起こす欠陥につながる可能性があります。DFM（設計製造性）は、こうしたばらつきの影響を最小限に抑え、歩留まりを向上させ、チップ​​製造のコスト効率を高めることを目的としています。

設計ルール

鋳造工場は、製造を成功させるために遵守しなければならない最小寸法、間隔、その他の幾何学的制約を規定した詳細な設計規則を提供します。DFM（製造性設計）に対応した設計ツールは、これらの規則に基づいて設計を自動的にチェックし、違反の可能性のある箇所を指摘して修正を促します。

プロセスのばらつき

DFM（設計製造性）技術は、リソグラフィ、エッチング、蒸着などの製造プロセスにおける固有のばらつきを考慮に入れています。設計者は、これらのばらつきが特定の設計構造にどのような影響を与えるかをシミュレーションすることで、レイアウトを修正し、ばらつきに対する感度を最小限に抑えることができます。

歩留まり最適化

DFM（製造性設計）の目的は、製造されたウェハーから正常に動作するチップの割合である歩留まりを最大化することです。これには、設計上の重要な領域を特定し、冗長性を追加し、製造成功の可能性を高めるレイアウト戦略を実行することが含まれます。

信頼性

DFM（設計製造性）とは、チップが想定される寿命期間全体にわたって信頼性を維持できるようにするための技術を包括するものです。これには、設計上の選択がエレクトロマイグレーション、ホットキャリア注入、その他の潜在的な故障メカニズムにどのような影響を与えるかを分析し、それに応じて設計を行うことが含まれます。

半導体設計で一般的に使用されるDFM技術には、以下のようなものがあります。

重複

重要な回路経路にトランジスタや回路素子を追加することで、いずれかの素子が故障してもチップが機能し続けるようにする。

塗りつぶしパターン

レイアウトの空き領域に機能を持たない幾何学的形状を追加することで、パターン密度を高め、局所的な製造ばらつきを最小限に抑える。

光近接効果補正（OPC）

リソグラフィ工程中に発生する歪みを補正するために、マスクパターンを修正する。

設計制限規則（RDR）

標準的な設計規則よりも保守的な設計規則のサブセットであり、製造性を向上させる。

収量シミュレーション

統計モデルを用いて、設計や工程のばらつきが歩留まりに及ぼす影響を予測し、情報に基づいた設計変更を可能にする。

DFMは半導体設計フロー全体に統合されています。

デザイン

設計者は、設計設計（DFM）に対応したツールを使用して、ルール違反や潜在的な製造上の問題を自動的にチェックします。

検証

検証プロセスには、設計がすべての製造要件を満たしていることを確認するための広範なDFM（製造性設計）チェックが含まれます。

物理的な実装

この段階では、製造最適化のために、充填材挿入やOPCなどの技術が設計に適用されます。

サインオフ

設計が製造準備完了であることを確認するために、徹底的な設計規則チェック（DRC）とレイアウト対回路図（LVS）検証が実施されます。

DFMは、先進半導体デバイスの成功とコスト効率の高い生産に不可欠です。^{[ 2 ]}設計段階で製造性の問題に積極的に取り組むことで、DFMは以下のようなメリットをもたらします。

• 収穫量の増加
• 市場投入までの時間を短縮
• 設計変更のリスクを低減
• 製造コストの削減

4軸目や5軸目を使用しない限り、CNC加工機は部品に一方向からしかアプローチできません。一度に加工できるのは片面のみです（これを加工操作（op ）と呼びます）。その後、すべての形状を加工するために部品を左右反転させる必要があります。部品を反転させる必要があるかどうかは、形状によって決まります。加工操作（部品の反転）の回数が多いほど、セットアップ時間やロード／アンロード時間が大幅に増加するため、部品のコストは高くなります。

各工程（部品の反転など）には、段取り時間、機械稼働時間、工具のロード／アンロード時間、部品のロード／アンロード時間、および各工程のNCプログラム作成時間が必要です。部品の工程が1つだけであれば、部品のロード／アンロードは1回だけで済みます。しかし、工程が5つある場合は、ロード／アンロード時間が大きな問題となります。

最も手軽な方法は、加工工程（部品の反転）の回数を最小限に抑え、大幅なコスト削減を実現することです。例えば、小さな部品の表面加工にはわずか2分しかかからない場合でも、機械のセットアップに1時間かかることがあります。また、1.5時間かかる工程が5つあり、機械の総稼働時間が30分しかない場合、30分の加工に対して7.5時間の料金が請求されることになります。^{[ 3 ]}

最後に、加工量（加工する部品の数）は、段取り時間、プログラミング時間、その他の作業を部品のコストに反映させる上で重要な役割を果たします。上記の例では、部品を10個加工する場合、100個加工する場合の7～10倍のコストがかかる可能性があります。

通常、収穫逓減の法則は、セットアップ時間、カスタムツール、治具がノイズに償却されるため、100～300の生産量で現れます。^{[ 4 ]}

最も加工しやすい金属の種類としては、アルミニウム、真鍮、および比較的軟らかい金属が挙げられます。鋼鉄、ステンレス鋼、チタン、特殊合金など、材料が硬く、密度が高く、強度が高くなるにつれて、加工ははるかに困難になり、加工時間も長くなるため、製造性は低下します。ほとんどの種類のプラスチックは加工しやすいですが、グラスファイバーや炭素繊維を添加すると加工性が低下する場合があります。特に柔らかく粘着性のあるプラスチックは、それ自体が加工性の問題を抱えている可能性があります。

金属は様々な形状で存在します。例えばアルミニウムの場合、棒材と板材が機械加工部品の製造に最もよく用いられる2つの形状です。部品のサイズや形状によって、使用する材料の形状が決まります。設計図面では、どちらか一方の形状を指定するのが一般的です。棒材は、一般的に板材の約半分の価格で、1ポンドあたりのコストはそれほど高くありません。そのため、材料の形状は部品の形状に直接関係するものではありませんが、設計段階で最も安価な形状を指定することでコストを削減できます。

機械加工部品のコストに大きく影響する要因の一つは、各形状の公差です。要求される公差が厳しければ厳しいほど、部品の加工コストは高くなります。設計時には、部品の機能に必要な最低限の公差を指定してください。公差は、形状ごとに指定する必要があります。公差を低く設定しても、公差を高く設定した部品と同等の性能を発揮する部品を設計するための工夫は数多く存在します。

切削加工は減算加工であるため、材料を除去するのにかかる時間は、加工コストを決定する主要な要因となります。除去する材料の体積と形状、および工具の送り速度によって加工時間が決まります。フライスを使用する場合、工具の強度と剛性（これは工具の長さと直径の比率によって部分的に決まります）が、その速度を決定する上で最も大きな役割を果たします。工具が直径に対して短いほど、材料を通して速く送り込むことができます。3:1 (L:D) の比率以下が最適です。^{[ 5 ]}この比率が達成できない場合は、ここに示したような解決策を使用できます。^{[ 6 ]}穴の場合、工具の長さと直径の比率はそれほど重要ではありませんが、それでも 10:1 以下に抑える必要があります。

他にも、加工コストが多かれ少なかれ異なる多くの種類の形状があります。一般的に、面取りは外側の水平エッジの半径よりも加工コストが低くなります。同一平面上にないエッジに半径を作成するために 3D 補間が使用され、コストは 10 倍になります。^{[ 7 ]}アンダーカットは加工コストが高くなります。L:D 比に関係なく、より小さな工具を必要とする形状は、コストが高くなります。