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）的熱性能對于避免可能導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)做好充分準備。事實上，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，有時將自己限制在以瓦特表示的整體耗散的簡單事實。在這一切中，軟件解決方案允許在熱級別解決設(shè)計問題以提高性能。

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 實施平臺集成。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)計階段的最后階段才能發(fā)現(xiàn)，而此時進行更改的成本最高。

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。良好的熱評估需要結(jié)合分析計算、經(jīng)驗分析和熱建模。問題是要確定所討論的集成電路在高溫下是否可靠。

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

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)合這兩個方程，我們得到以下關(guān)系：

熱阻是要分析的主要因素。計算是根據(jù)熱平衡進行的；即，當：

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。第一個參數(shù)可以定義為熱導率的倒數(shù)，決定了紡織材料的隔熱性能。第二個，結(jié)溫，是半導體中的一個重要因素，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)計師用于測試、設(shè)計和分析熱組件生產(chǎn)率的設(shè)計、建模和分析工具；和用于封裝電子產(chǎn)品的基板材料。

設(shè)計軟件允許通過模型和計算流體動力學執(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)和流體的計算流體動力學 （CFD），允許使用單個儀器對系統(tǒng)進行全面評估。當使用帶有 Voltus IC 電源完整性和 Sigrity 技術(shù)的攝氏熱解算器進行 PCB 和 IC 封裝時，設(shè)計團隊可以結(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確的系統(tǒng)級熱模擬。

熱管理領(lǐng)域的趨勢與半導體、微處理器和計算機技術(shù)的發(fā)展保持一致。開發(fā)是不斷設(shè)計的解決方案協(xié)同作用的結(jié)果，以管理當今電子系統(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。焦耳加熱會在系統(tǒng)中引入額外的熱源，而糟糕的設(shè)計可能會在走線內(nèi)產(chǎn)生高電流浪涌，從而引入不利的熱點。為了更好的設(shè)計，同時考慮這些參數(shù)很重要，這就是我們求解器的精髓。”

例如，電子行業(yè)對高速和高性能的追求導致了 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)級封裝 （SiP）、系統(tǒng)級封裝 （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的互連。此外，它將異構(gòu)技術(shù)集成在一個封裝中，以縮短上市時間并使其在經(jīng)濟上可行。

然而，3D 會產(chǎn)生高熱阻，時空功耗不均勻會導致熱點、高溫梯度和熱應力等熱問題；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） 和風冷散熱器 （AHS）。TSV 被認為是降低 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 3D 結(jié)構(gòu)中的實際電能流動執(zhí)行靜態(tài)（靜止）和動態(tài)（瞬態(tài)）電熱模擬，最大限度地了解真實系統(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復雜的芯片級結(jié)構(gòu)進行電熱協(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確功率分布的芯片設(shè)計工具導入。對于以封裝和 PCB 為中心的應用，我們集成了有限元分析和 CFD，對真正的 3D 結(jié)構(gòu)和 2D 分層結(jié)構(gòu)進行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析。對于更大的以系統(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