河北省金属产品工艺及性能优化控制实验室

简 介：

河北省金属产品工艺及性能优化控制实验室，2001 年建设，2003 年底建成并通过验收。现任学术委员会主任徐宾士院士，实验室主任张静武教授。

实验室设有6 个研究方向： 利用高新技术实现铸锻焊件工艺/ 性能综合优化、成型工艺新技术、表面防护及表面强化工艺新技术、产品性能综合定量分析和优化控制的应用基础理论研究、 纳米金属材料、铝合金变形与再结晶织构。

1 ．长寿命提速/ 高速铁路辙叉制造关键技术

解决了钢轨和高锰钢辙叉焊接难题，达到了世界领先水平，并出口到美国等国家，经济效益已超过3.4 亿元人民币。

2 ．纳米晶复合永磁材料研究

在永磁材料高压纳米化等方面取得阶段性进展，2007 年获河北省自然科学一等奖。

3 ．连铸连轧过程中的组织性能预测及控制

实现了对C-Mn 钢连铸连轧板带的组织和性能预报，成果鉴定达到国际先进水平，获得2007 年河北省科技进步一等奖。

4 ．针状铁素体组织单元及Nb 在钢中作用研究

首次研制出X80 钢级直缝和螺旋埋弧焊管，满足了西气东输急需，已创产值64.6 亿元。

5 ．第三代百万千瓦核电锻钢主管道制造技术

研发出锻钢主管道新热处理工艺及小曲率半径弯管成型方法，使我国核电主设备制造进入世界先进行列。

实验室自建成以来，共获得国家科技进步二等奖1 项，省部级科技奖励11 项，获得国家发明专利22 项，发表学术论文758 篇（其中，国际论文498 篇）。

实验室现有固定人员30 名，其中博士生导师13 名，具有博士学位教师23 名；，45 岁以下中青年研究人员17 名；有国外学习经历者8 名；国家杰出青年基金获得者2 名。

实验用房面积13000 m2 、仪器设备771 台套，总价值6601 万元，30 万元以上仪器设备25 台（套）。射透射电子显微镜，可以在百万倍下观察分析材料的结构、亚结构及微区的元素分布；X 射线衍射仪检测材料的结构与物相；激光拉曼/ 红外光谱谱仪/ 红外显微镜检测材料的物理性能；大型计算服务器，包括Materials Studio 等多个软件模块，是计算材料学的重要设备；热模拟实验机用于金属材料的热、锻、焊等物理过程的模拟。

实验室同斯图加特大学、俄罗斯科学院、Tokyo Gakugei 大学的材料学者组成了国际研究团队；承担国内第一重型机械集团、唐钢等多个单位的科研项目。

实验室设立开放课题，吸引多名高层次研究人员来实验室工作。聘请美国伊州工学院Nash 教授为客座教授每年来校工作2 个月，同时为研究生开设40 学时的专业课程。

实验室固定人员在行业组织中担任职务，主要有廖波教授任全国热处理学会主任，杨庆祥教授任全国材料计算与模拟学术委员会理事长等。

河北省金属制品工艺及性能优化控制实验室于2001年开始启动，2003年底建成并验收。实验室现有建筑面积13，000m2，设备771台套，其中10万元以上设备42台套，总资产8748万元。实验室的工作目标是利用高新技术对金属产品的生产工艺和性能进行优化控制，实验室设有铸锻焊件工艺/性能综合优化、成型工艺新技术、表面工程、应用基础理论、金属纳米材料和热变形金属学等六个研究方向，一些研究已经达到国内领先水平。为加快我省结构调整和产业重组的步伐，作出应有的贡献。

模糊优化控制简介

优化控制是指在给定的约束条件下，寻求一个控制系统，使给定的被控系统性能指标取得最大或最小值的控制。

随着科学技术的发展，目前智能控制已开始广泛应用。这种控制将人类的智能，例如把适应、学习、探索等能力引入控制系统，使其具有识别、决策等功能，从而使自动控制和优化控制达到了更高级的阶段。

模糊优化控制条件

一般说，进行优化控制必须要具备三个条件：

1、要给出系统的性能指标。

2、要给出约束条件。

3、要寻找优化控制的机制和方法。

由于在实际中情况是复杂多变的，进行优化控制不可能达到十全十美，因此优化控制只能是相对的或满意的控制，而难以做到最优控制。

协同优化的（Design Technology Co-optimization，DTCO） 主要内容包括设计规则（Design Rules）、标准单元（Standard Cell）、工艺文件 （Technology File）和 Spice 模型 。

工艺和设计的协同优化体现为：工艺工程师从工艺角度出发，进行光刻方案的探索及优化，并提供设计规则和坏点图形库给设计工程师，保证在设计阶段能够避免坏点图形（Hotspots），降低芯片制造的难度。设计工程师从设计角度出发， 根据器件和芯片级别的性能需求，设计相应的版图并与工艺工程师协同工作，保证在工艺研发初期制定光刻解决方案时将设计端的需求考虑在内。通过设计和工 艺的协同优化，最终平衡了性能和可制造性的需求 。

当开始一个新技术节点光刻技术研发时，选用何种光刻技术必然和设计图形是相关联的。假设设计是完全随意的，寻找有效的光刻方案将非常困难；及时光刻能实现，其工艺窗口必然很小；考虑另一个极端，为了使光刻工艺容易实现，对设计做非常多的限制，设计工程师将无法完成设计规则的要求。因此，最佳的解决办法是工艺和设计协同优化，彼此协作满足新节点器件的要求 。

DTCO（design technology co-optimization）的核心就是设计工程师与光刻工程师共同协作，寻找最佳的设计和光刻工艺方案。这个方案要既能满足器件性能的要求，又能在Fab里实现 。

以金属层为例，介绍一种基于标准单元的DTCO方法。在制造掩模之前，评估和优化标准单元能够获得较大的工艺窗口。该方法需要在流片之前增加一个额外的学习周期，但能够有效降低工艺研发的成本。具体流程如图1中(a)所示：1）根据上一个节点标准单元库进行等比例微缩，并随机地排列来模拟数字电路物理设计中的布局流程；2）提取关键层进行光学仿真，检测标准单元中的坏点，并对坏点进行修复，进而达到优化标准单元的目的，图1中(b)给出了优化标准单元后的工艺窗口（优化前无工艺窗口）；3）流片并进行检测，根据晶圆数据来进一步优化标准单元 。

图1 (a)基于标准单元的DTCO方法 (b)标准单元优化后的工艺窗口2100433B