Product engineering for silicon based MEMS IP [Elektronische Ressource] / von Dirk Ortloff
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Product engineering for silicon based MEMS IP [Elektronische Ressource] / von Dirk Ortloff

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Product Engineering for siliconbased MEMS IPVom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik derUniversitat¨ Siegenzur Erlangung des akademischen GradesDoktor der Ingenieurwissenschaften(Dr. Ing.)Genehmigte DissertationvonDipl. Inf. Dirk Ortloff1. Gutachter: Prof. Dr. Rainer Bruc¨ k2.: Prof. Dr. Albert AlbersVorsitzender: Prof. Dr. Hans WojtkowiakTag der mundlichen¨ Prufung:¨ 26.06.2006urn:nbn:de:hbz:467 2287DerMenschwirftdasLos;aberesfallt¨wiederHerrwill.Spruche¨ 16,33AbstractToday the silicon based Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) industryhas inadequate development methodologies and frameworks. This is espe cially true when developing MEMS process and design Intellectual Property(IP). The existing methods and frameworks are not accommo dating for the necessary areas and components required for efficient, repro ducible and controlled MEMS IP development. As such issues have not beenaddressed,thisresultsine.g. unresolveddevelopmentmethodologyquestionsandnon systematicstorageofproductdeliverables.This thesis proposes a systematic development approach to tackle severalof such insufficiencies. It proposes a novel MEMS IP development methodol ogy guiding the developments from a product idea to a marketable product.Because the business processes of the method require tool support, a qualityintegratedProductEngineeringFrameworkisproposedsupportingthekeyar-eas.

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Publié le 01 janvier 2006
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Langue English
Poids de l'ouvrage 13 Mo

Product Engineering for silicon
based MEMS IP
Vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der
Universitat¨ Siegen
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
(Dr. Ing.)
Genehmigte Dissertation
von
Dipl. Inf. Dirk Ortloff
1. Gutachter: Prof. Dr. Rainer Bruc¨ k
2.: Prof. Dr. Albert Albers
Vorsitzender: Prof. Dr. Hans Wojtkowiak
Tag der mundlichen¨ Prufung:¨ 26.06.2006
urn:nbn:de:hbz:467 2287DerMenschwirftdasLos;
aberesfallt¨
wiederHerrwill.
Spruche¨ 16,33Abstract
Today the silicon based Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) industry
has inadequate development methodologies and frameworks. This is espe
cially true when developing MEMS process and design Intellectual Property
(IP). The existing methods and frameworks are not accommo
dating for the necessary areas and components required for efficient, repro
ducible and controlled MEMS IP development. As such issues have not been
addressed,thisresultsine.g. unresolveddevelopmentmethodologyquestions
andnon systematicstorageofproductdeliverables.
This thesis proposes a systematic development approach to tackle several
of such insufficiencies. It proposes a novel MEMS IP development methodol
ogy guiding the developments from a product idea to a marketable product.
Because the business processes of the method require tool support, a quality
integratedProductEngineeringFrameworkisproposedsupportingthekeyar-
eas. Thethesisdescribesanewframeworkconceptofbusinessprocesscompo
nentssupportingthemethodologyandestablishesprocessesguidingthrough
thedevelopmentefforts.
A major focus is set on the in depth research of reproducibility and control
aspectsoftheprocessIPdevelopmentefforts. Thefindingsconcerningprocess
development tracking are converted into novel concepts for supporting tools
andthenewlyimplementedsoftwareenvironmenttoaddressthefoundprob
lem areas is introduced. The thesis presents results generated during the EU
FP6projectPROMENADE[Eur04]andpreviousworks. Thesoftwareenviron
mentdevelopedbythePROMENADEprojectbuildsamajorcornerstoneofa
companywideframeworkfordevelopingsiliconbasedMEMSIPmodules.
iZusammenfassung
Die Industrie fur¨ siliziumbasierte Mikrosysteme hat heute keine adaquaten¨
Entwicklungsmethoden und umgebungen. Dies gilt speziell f ur¨ Firmen,
die ein wissensbasiertes Geschaftsmodell¨ (Intellectual Property, IP) verfol
gen. Die existierenden Methoden und Umgebungen unterstutzen¨ nicht alle
erforderlichen Bereiche und bieten nicht alle notwendigen Komponenten
fur¨ die Mikrosystementwicklung. Diese unzureichende Unterstutzung¨ fuhrt,¨
unter anderem, zu unvollstandigen¨ und nicht reproduzierbaren Entwick
lungsflussen.¨ Dies ist vor allem auf die unsystematische Speicherung der
Entwicklungs undProduktergebnissenzur uckzuf¨ uhr¨ en.
DieseDoktorarbeitstellteinensystematischenEntwicklungsansatzvor,der
mehrere dieser Probleme bearbeitet. Hierzu werden alle relevanten Aspekte
analysiert und exemplarische Losungsvorschl¨ age¨ aufgezeigt. Es wird eine
neue Methodik bereitgestellt, welche von der Idee bis zum vermarktbaren,
wissensbasierten Mikrosystemprodukt fuhrt.¨ Hierzu wird eine Umgebung
aus Geschaftspr¨ ozessen und Unterstutzungswerkzeugen¨ fur¨ die Methodik
beschrieben.
Ein besonderes Augenmerk wird auf die detaillierte Analyse von
Reproduzierbarkeits und Kontrollaspekten der Fertigungsprozessentwick
lung gelegt. Die Ergebnisse wurden zur Entwicklung neuer Konzepte und
Werkzeuge zur Entwicklungsunterstutzung¨ in der Praxis eingesetzt. Die Ar-
beit prasentiert¨ Ergebnisse aus dem von der EU gefor¨ derten Projekt PROME
NADE [Eur04] und des Vorlauferpr¨ ototypen PDTS. Die innerhalb des Projek
tes entwickelte Softwareumgebung bildet einen Grundpfeiler fur¨ die firmen
weiteeingesetzteEntwicklungsumgebung.
iiiContents
1. Introduction 1
2. Status and Requirements of MEMS IP Product Engineering 5
2.1. ProductEngineeringintroduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1. ImplicationsofProductEngineering . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2. ProductEngineeringrole . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. State of the Art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1. IPBusinessmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2. ProcessIPtransfermechanisms . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3. ProductEngineeringEducation . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.4. ProductMethods . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.5. ProductEngineeringFrameworks . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.6. MEMSprocessdevelopment . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3. RequirementsofMEMSIPProductEngineering . . . . . . . . . 14
2.3.1. ProcessIPtransfermechanisms . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2. DevelopmentMethodologies . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3. EngineeringFrameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.4. ProcessdevelopmentSupport. . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4. Summary: Issuesaddressedbythisthesis . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.1. ProcessIPtransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2. ProductEngineeringMethod . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.3. ProductFramework . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.4. Processdevelopmentsupport . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3. Product Engineering Method 21
3.1. Productdevelopmentessentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1. DriversforInnovation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2. Successfactorsfornewproductdevelopments . . . . . . 22
3.1.3.foranewproductprocess . . . . . . . . . 23
3.2. BaselineProductDevelopmentMethods . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1. IPPD/CE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2. Stage Gate™method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.3. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3. BaselineProjectManagementMethods . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.1. PMBOK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
IContents
3.3.2. PRINCE2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3. ISO10006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4. NewProductDevelopmentMethodology . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1. Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.2. Methodoverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.3.composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.4. Stage0: Ideacapturing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.5. Gate1: Ideascreen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.6. Stage1: Preliminaryinvestigation . . . . . . . . . . . . . 54
3.4.7. Gate2: Detailedscreen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.4.8. Stage2: ProjectInitialization . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.4.9. Gate3: Projectgate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4.10. Stage3: Feasibilitystudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.4.11. Gate4: Prototype Developmentdecision . . . . . . . . . 64
3.4.12. Stage4: Prototypedevelopment . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.13. Gate5: Developmentdecision . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.14. Stage5: Product . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.15. Gate6: Commercializationdecision . . . . . . . . . . . . 71
3.5. ProcessDevelopmentMethodology . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.5.1. Demonstratorapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.2. Twodevelopmentphases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.5.3. Buildaprocesswindow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.6. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4. Product Engineering Framework 77
4.1. RequiredPEFFeatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2. ConfigurationManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.2. Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2.3. ComponentsforConfigurationManagement . . . . . . . 80
4.3. ChangeManagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.2. Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.3. ComponentsforChangeManagement . . . . . . . . . . . 83
4.4. RequirementsEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4.2. Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.4.3. ComponentsforRequirementsEngineering . . . . . . . 85
4.5. DataOrganization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.5.3. Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
IIContents
4.6. Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6.3. StandardComponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.7. CommonEnvironment+InformationSharing . . . . . . . . . . 90
4.7.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.7.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.7.3. Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.8. IssueTracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.8.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.8.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.8.3. Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.9. KnowledgeManagement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.9.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.9.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.9.3. Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.10. Planning&Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.10.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.10.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.10.3. Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.11. RegularExecution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.11.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.11.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.11.3. Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.12. RegularStatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.12.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.12.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.12.3. Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.13. Enforcement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.13.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.13.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.13.3. Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.14. Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.14.1. Featuresprovided/addressed . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.14.2. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.14.3. Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.15. Processes/Procedures/Mortar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.16. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5. Quality Assurance Framework 113
5.1. Quality&QualityAssuranceapproaches . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.1. ISO9000family . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
5.1.2. CMMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
IIIContents
5.1.3. MalcomBaldrigeCriteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.4. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.2. Qualitycomponentsandtools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.1. FMEA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.2.2. ChangeRequestprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.3. Reviewprocedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
5.2.4. Projectmanagementaudit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5.2.5. Projectaudit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2.6. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6. MEMS process IP development 125
6.1. ProcessDFMcomponents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.1.1. VerificationofManufacturability . . . . . . . . . . . . . . 126
6.1.2. VbySimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
6.1.3. VerificationbyExperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2. Overallapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3. Experimentalverificationsupport . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
6.3.1. Analysisresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.3.2. Structuralapproach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
6.4. ProcessDevelopmentTrackingSystem(PDTS) . . . . . . . . . . 135
6.4.1. TheHistory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.4.2. Systemarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.4.3. TheSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
6.4.4. Datamodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
6.5. PromenadeTrackingEnvironment(EVERIST) . . . . . . . . . . 146
6.5.1. TheSystemoverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
6.5.2. Conceptadditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
6.5.3. NewandchangedFeatures . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.5.4. Systemarchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.5.5. Datamodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.5.6. Embeddingintoenvironment . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.6. BackAnnotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.6.1. Dataloading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.6.2. Knowledgegenerationconcepts . . . . . . . . . . . . . . 183
6.7. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7. Further Work 185
7.1. Usefulextensionsofthetrackingenvironment . . . . . . . . . . 185
7.1.1. Directed&attributedrelations . . . . . . . . . . . . . . . 185
7.1.2. NavigationbyRelationTypes . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.1.3. Relationgroups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.1.4. FMEAintegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7.1.5. Additionalretrievalmechanisms . . . . . . . . . . . . . . 186
IV