芯片热管理是成为一个在先进的精密平衡节点和先进的包装。而重要的是要确保温度不足够高,导致可靠性问题,添加太多的电路控制可以减少热性能和更低的能源效率。

最常见的是热模拟方法来处理这些问题,这就需要系统的3 d表示包,它的董事会,以及材料特性的所有组成部分的组装。这听起来简单,但随着越来越多的设备打包成系统,它被证明是不简单。

“从热的角度看你正在做的事情是包装更硅在给定平方英寸,即功率密度的结果,”罗宾说Bornoff,产品营销经理导师图形“机械分析部门他说。“瓦消散的数量大幅上升。随着功率密度上升,温度上升,因此需要设计一个有效的去除热量比以前已经变得更加重要。如果你回去10到15年,功率密度的增加是由时钟速度的增加。现在,我们去其他的方法,我们可以增加功能密度,我们找到了功率密度增加而不是在时钟速度功能包装本身的密度。这是另一个司机把热考虑在前面很多今天设计约束。”

几乎所有电子设备,从飞机到汽车建造细胞phones-uses某种预测模拟热应力和电磁分析。这导致努力更严格一些机电设计,使用单一的模拟,包括从芯片到包,如何将这些有机的组合在一起作为一个更大系统的一部分,Steve Pytel说电子产品经理有限元分析软件。包含在内部分析功率损耗等因素的铜包和PCB如何影响热应力和应变。这是考虑到外壳紧随其后。如果是手机或平板电脑,冷却有什么影响?有风扇吗?可靠性的影响。

打金线退化,金属化层不匹配,焊接疲劳和死亡/基质裂缝由热引起的问题在混合动力/电动汽车模块。来源:导师图形。

有限元分析
虽然这个词的有限元分析可能不是一个常见的术语,这数学构造构成今天许多EDA仿真工具。的主要驱动力之一热使用有限元方法模拟finFET的过程,首先介绍了英特尔在22纳米,并很快将公布10 nm和7海里所有主要的铸造厂。

“虽然我们推进finFET技术,侧面的影响之一是,由于3 d finFET架构,热量很容易困在手指,”诺曼Chang说,副总裁和高级产品策略师Ansys。“在衬底方面,有一个狭窄的手指下基质和其他材料是二氧化硅,这使得它更难通过基板散热,通过包中,然后通过PCB。这是一个主要的司机。”

热很容易被困在finFETs的手指,从而影响散热。

设备上的自动加热诱导水平finFET过程,随着热导线之间的耦合,需要分析。一种方法是使用有限元方法来分析芯片的温度梯度和温度增加每个线。

“这是非常重要的来确定电迁移,因为他们限制是温度的函数,“Chang说。“抵抗也是温度的函数,和功率泄漏是一个温度的指数函数。当温度增加时,泄漏功率增加,当泄漏功率增加,温度升高。可以成为一个热失控的问题。如果你没有一个足够好的包装设计、芯片封装系统会发生热失控。使散热更具挑战性的另一个因素是3 d集成电路设计,成为受欢迎的CoWoS在衬底晶片(芯片)设计从台积电,或新的集成扇出(信息)wafer-level包装设计。这也是要船大众市场今年开始在Q2。”

Multi-chip包装已经越来越受人关注,主要是由于高通量之间的处理器和内存和较小的形式因素。"会有多个包,死去的芯片和包越来越难以彼此分开,他们将非常综合,”他解释道。“信息设计芯片将直接在硅衬底和硅衬底上直接将球阵列的PCB。因为这些技术,热变得更加的一个因素。在汽车应用中利用环境中的热在汽车和温度信封是华氏135°。如果您有多个单片机在汽车——通常有超过100年的汽车今天,不同的芯片传感器和火花塞等电子、车辆的环境非常恶劣的热耗散。

导师的Bornoff指出multi-chip包有多个结温度,必须在设计中考虑。热工程师的资源可以让信息建设一个包是一个电子表格,其中包含热指标,可以作为一个模拟的输入工具。这些指标,标准化的电平和其他标准的身体,已经非常派生monochip假设。有挑战未来如何制定热指标适合multi-heat源或multi-die类型包,让它在规格表,使工程师能够使用这些信息更准确的热模拟。”

Multi-chip包装材料有多个结温度,需要考虑。

他指出,标准组织正在适应这个不断变化的景观。而不仅仅是一个热源方案有多个来源,这意味着多个结温度。

来处理这个问题的方法之一是thermal-induced压力,这是另一种有限元法进行分析。“当你增加温度,这将是更容易受到压力的片上互连方案,”Chang说。”信息,有极低k电介质,因为它经过热堆栈戒指。一个已知的好死的时候是用于信息的过程,你将经历350°- 400°F热堆栈戒指所以超低k介电材料遭受热堆栈环过程和裂缝容易受到压力,疲劳,除了下降压力。”

为什么预测温度?
精确的温度测量的关键原因之一已经变得如此重要的是强调可靠性,尤其在汽车等市场,电子产品必须在极端条件下10到15年。温度有直接相关的设备能正常工作多久。只要可以准确模拟和结温度占了,这是一个相对简单的设计约束使用有限元分析。

在过去,有限元分析是集中在固体内热量的传递。“一旦热火得到固体的边缘,一些假设是如何有效地空气带走的热量没有实际的物理建模气流本身,“Bornoff说。

是普遍认为的准确预测,三种模式的完整的物理描述热transfer-conduction,对流,和辐射问题被认为是一个完整的、准确的表示整个热流路径。

”一个一半的模拟是确保你解决正确的方程。与任何仿真模型你需要添加一些输入到模型,所以所有的3 d表示要创建包的内部结构。您必须创建一个3 d董事会表示,底盘,空气间隙,散热片,和材料,你需要有一个准确的3 d几何模型的表示。这是非常有趣的地方,特别是在不确定性而言,”Bornoff说。“好热模拟,您需要考虑材料属性,最常见的一个是固体的导热系数模型中。”

例如,铜的导热系数高,而其他材料导热系数低。这些材料非常好理解,提供非常准确的值模拟输入数据。

“其他值其他材料不太好理解,无论是他们的材料属性,也就规模而言,”他说。“如果你看看与包生产过程相关的不确定性,我们听到的最重要的是你谈论死连接和芯片焊接材料。这是出了名的困难,特别是对于设计方案的人,能够得到良好的导热系数的准确信息死附加材料及其厚度。这些参数是非常重要的对于仿真的准确性,但也极难得到良好的准确值。这是一个真正的挑战。”

复合这是泄漏电流,减少finFETs的引入,但16/14nm后在每个新节点开始再次上升。“贡献的总功耗泄漏功率增加了小得多的节点,这本身就是漏电功耗非常随温度而变的。所以在仿真技术条款,而不是仅仅被限制在指定恒功率耗散到预测温度,您需要指定一个功耗是温度的函数。随着温度升高,功率损耗上升。这种关系还需要定义。”

更大的系统,更大的挑战
问题是加剧与复杂系统先进的节点。今天的智能手机至少有两个多氯联苯和多达10包板,产品工程建筑师CT花王说节奏。当一个系统公司的芯片具有显著的加热问题,热点旁边另一个芯片,然后它必须模拟和分析,以确定哪些地方,热点——所有的极其复杂的电源方案下操作。

“后期是关键,因为有不同的权力操作计划,这意味着I / O的力量是巨大的,”高说。“如果你想做有限元分析对每个包板,乘以2,你需要粒度知道热点在哪里。没有办法模拟操作场景多几分钟,考虑到需要多长时间模拟完成。如今,一个方法能够克服所谓的自适应匹配,因为它说,必须切成更小的元素,每一个坚实的和我们不需要非常好的切割。所以人们第一次使用有限元。那么你确定的高梯度温度。在那个特定的位置,你把细粒度分析。”

这都归结为如何最好地利用能源投入系统,将能量转化为有用或无用的工作,花王说。

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