了解集成電路的熱性能

電子系統(tǒng)的小型化和產(chǎn)生大量熱量的元件的擴(kuò)散使得熱分析作為保證產(chǎn)品良好功能和可靠性的工具越來越重要。不幸的是，電子行業(yè)似乎還沒有為這一新挑戰(zhàn)做好充分準(zhǔn)備。

了解集成電路（無論是微控制器、FPGA 還是處理器）的熱性能對(duì)于避免可能導(dǎo)致電路故障的過熱一直至關(guān)重要。電子系統(tǒng)的小型化和產(chǎn)生大量熱量的元件（如 LED）的擴(kuò)散，使得熱分析作為保證產(chǎn)品良好功能和可靠性的工具越來越重要。

不幸的是，電子行業(yè)似乎還沒有為這一新挑戰(zhàn)做好充分準(zhǔn)備。事實(shí)上，組件制造商經(jīng)常提供非常稀少的有關(guān)其設(shè)備熱行為的信息，有時(shí)將自己限制在以瓦特表示的整體耗散的簡單事實(shí)。在這一切中，軟件解決方案允許在熱級(jí)別解決設(shè)計(jì)問題以提高性能。

Cadence 攝氏度熱求解器基于經(jīng)過高并行度測試的架構(gòu)，在不犧牲精度的情況下提供比上一代解決方案快 10 倍的性能，它與用于 IC、封裝和 PCB 的 Cadence 實(shí)施平臺(tái)集成。這允許執(zhí)行系統(tǒng)分析以在過程的早期檢測和緩解熱問題。Cadence 表示，其攝氏熱解算器是第一個(gè)完整的電熱協(xié)同仿真解決方案，適用于從集成電路到物理容器的整個(gè)電子系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。

熱性能

使用 3D 封裝的公司尤其面臨著巨大的熱挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)可能要到設(shè)計(jì)階段的最后階段才能發(fā)現(xiàn)，而此時(shí)進(jìn)行更改的成本最高。

這使得熱管理在封裝選擇期間至關(guān)重要，以確保產(chǎn)品的高可靠性。良好的熱評(píng)估需要結(jié)合分析計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)分析和熱建模。問題是要確定所討論的集成電路在高溫下是否可靠。

將溫度與時(shí)間綁定的關(guān)系源自兩個(gè)主要定律：牛頓冷卻定律和非潛能守恒定律。第一個(gè)可以定義如下：

其中T B是體溫，T A是環(huán)境溫度，K A是比例常數(shù)。下面的等式給出了第二定律：

其中 P 是施加到身體的功率，m 是質(zhì)量，c 是比容量。牛頓定律指出，身體的熱損失率與身體與環(huán)境之間的溫差成正比。結(jié)合這兩個(gè)方程，我們得到以下關(guān)系：

熱阻是要分析的主要因素。計(jì)算是根據(jù)熱平衡進(jìn)行的；即，當(dāng)：

展開函數(shù)，我們得到如下關(guān)系：

在哪里

是物體與環(huán)境之間的熱阻。問題是要確定所討論的集成電路在高溫下是否可靠。如果沒有特定的分析方法，就不可能提供可靠的答案。在 DC 模式操作中，很多時(shí)候必須分析一些參數(shù)，例如 θ JA熱阻和 θ JC結(jié)溫。第一個(gè)參數(shù)可以定義為熱導(dǎo)率的倒數(shù)，決定了紡織材料的隔熱性能。第二個(gè)，結(jié)溫，是半導(dǎo)體中的一個(gè)重要因素，與功耗直接相關(guān)。

熱工具

用于正確熱管理的主要技術(shù)可總結(jié)如下： 復(fù)合材料通常是熱管理組（散熱器）中的主要熱交換器；工程師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師用于測試、設(shè)計(jì)和分析熱組件生產(chǎn)率的設(shè)計(jì)、建模和分析工具；和用于封裝電子產(chǎn)品的基板材料。

設(shè)計(jì)軟件允許通過模型和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)執(zhí)行熱分析，以管理組件和各種接頭的氣流和溫度。

Cadence 提出的解決方案結(jié)合了固體結(jié)構(gòu)的有限元分析 （FEA） 技術(shù)和流體的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) （CFD），允許使用單個(gè)儀器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)估。當(dāng)使用帶有 Voltus IC 電源完整性和 Sigrity 技術(shù)的攝氏熱解算器進(jìn)行 PCB 和 IC 封裝時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以結(jié)合電氣和熱分析并模擬電流和熱流，獲得比上一代工具更準(zhǔn)確的系統(tǒng)級(jí)熱模擬。

熱管理領(lǐng)域的趨勢與半導(dǎo)體、微處理器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展保持一致。開發(fā)是不斷設(shè)計(jì)的解決方案協(xié)同作用的結(jié)果，以管理當(dāng)今電子系統(tǒng)中的過熱。

“正如我們所知，電氣性能取決于熱分布，”Cadence 多域系統(tǒng)分析業(yè)務(wù)部產(chǎn)品管理總監(jiān) CT Kao 說?！袄?，設(shè)備內(nèi)的電阻和功率泄漏取決于溫度。而且溫度也會(huì)影響設(shè)備的功能和可靠性。另一方面，熱分布將取決于電氣性能。焦耳加熱會(huì)在系統(tǒng)中引入額外的熱源，而糟糕的設(shè)計(jì)可能會(huì)在走線內(nèi)產(chǎn)生高電流浪涌，從而引入不利的熱點(diǎn)。為了更好的設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮這些參數(shù)很重要，這就是我們求解器的精髓?！?/p>

例如，電子行業(yè)對(duì)高速和高性能的追求導(dǎo)致了 3D 集成電路的發(fā)展。3D 技術(shù)允許封裝中微處理器組件的垂直互連；這轉(zhuǎn)化為多芯片模塊 （MCM）、系統(tǒng)級(jí)封裝 （SiP）、系統(tǒng)級(jí)封裝 （SOP） 和層疊封裝 （POP） 配置。3D 處理器結(jié)構(gòu)緊湊，互連更短。這提高了內(nèi)存訪問帶寬并減少了耗散能級(jí)的互連。此外，它將異構(gòu)技術(shù)集成在一個(gè)封裝中，以縮短上市時(shí)間并使其在經(jīng)濟(jì)上可行。

然而，3D 會(huì)產(chǎn)生高熱阻，時(shí)空功耗不均勻會(huì)導(dǎo)致熱點(diǎn)、高溫梯度和熱應(yīng)力等熱問題；這需要適用于 3D 微處理器的散熱解決方案，包括液冷微通道散熱器 （MHS）、硅通孔 （TSV）、熱界面材料 （TIM） 和風(fēng)冷散熱器 （AHS）。TSV 被認(rèn)為是降低 3D IC 溫度的有效手段，代表了一種高性能互連技術(shù)，首次用于 CMOS 圖像傳感器。

攝氏熱解算器根據(jù)先進(jìn) 3D 結(jié)構(gòu)中的實(shí)際電能流動(dòng)執(zhí)行靜態(tài)（靜止）和動(dòng)態(tài)（瞬態(tài)）電熱模擬，最大限度地了解真實(shí)系統(tǒng)的行為。

“我們已經(jīng)確定了三種方法來解決工程師在設(shè)計(jì)中遇到的熱分析挑戰(zhàn)：以 IC 為中心、以封裝和 PCB 為中心以及以系統(tǒng)為中心，”Kao 說?！耙?IC 為中心的方法可以對(duì)復(fù)雜的芯片級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電熱協(xié)同仿真，包括 3D-IC、芯片到芯片鍵合和硅通孔。功率輸入可以是用戶指定的或從在芯片上生成準(zhǔn)確功率分布的芯片設(shè)計(jì)工具導(dǎo)入。對(duì)于以封裝和 PCB 為中心的應(yīng)用，我們集成了有限元分析和 CFD，對(duì)真正的 3D 結(jié)構(gòu)和 2D 分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析。對(duì)于更大的以系統(tǒng)為中心的方法，有限元分析和 CFD 的集成用于執(zhí)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析。

審核編輯：郭婷