Проблемы управления тепловыделением ИС

Проблемы управления тепловыделением ИС

Выпуск 24 (6698) от 05 декабря 2019 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Знание тепловых характеристик интегральных микросхем, будь то микроконтроллеры, ПЛИС или процессоры, необходимо, чтобы избежать перегрева, который может вызвать неисправности ИС. Миниатюризация электронных систем и широкое распространение компонентов, выделяющих много тепла, таких как светодиоды, повышают роль термического анализа в качестве инструмента, гарантирующего хорошее функционирование и надежность продукции.

К сожалению, электронная промышленность, похоже, еще не полностью готова к решению новой задачи: производители компонентов часто предоставляют очень скудную информацию о характеристиках тепловыделения своих приборов, иногда ограничиваясь простым показателем рассеиваемой мощности в целом. При этом программные решения позволяют решать задачи проектирования на уровне тепловыделения в целях повышения производительности полупроводниковых приборов и конечных электронных систем.

Пытаясь решить эту проблему корпорация Cadence недавно представила новое средство Celsius Thermal Solver, интегрированное с фирменной платформой внедрения, ориентированной на ИС, корпуса и печатные платы. Новое средство отличается от предшествующей версии в 10 раз большим быстродействием. Это позволяет проводить системный анализ для выявления и смягчения термических проблем на ранних стадиях процесса проектирования и производства полупроводниковых приборов. Специалисты Cadence утверждают, что Celsius Thermal Solver является первым полным решением электротермического моделирования для всей иерархии электронных систем, от интегральных схем до контейнеров электронного оборудования на физическом уровне.


Тепловые характеристики

Фирмы, использующие трехмерные (3D) корпуса, сталкиваются с существенными тепловыми проблемами, и им нужно распознать их до финальных стадий этапа проектирования, когда внесение изменений в конструкцию становится наиболее дорогостоящим.

Это делает термальное управление необходимым во время выбора корпуса – ​с целью обеспечения высокой надежности конечного продукта. Хорошая оценка тепловых параметров требует сочетания аналитических расчетов, эмпирического анализа и моделирования тепловыделения. Задача состоит в том, чтобы определить, является ли рассматриваемая интегральная схема надежной при высоких температурах.

Отношение, связывающее температуру с течением времени, выводится из двух основных законов: закона охлаждения Ньютона и закона сохранения потенциальной энергии. Первый можно определить следующим образом:


где TB – ​температура объекта (тела), TA – ​температура окружающей среды, а KA – ​коэффициент пропорциональности. Следующее уравнение дает второй закон:


где P – мощность, приложенная к телу, m – ​масса, а – ​удельная емкость. Закон Ньютона–Рихмана гласит, что скорость теплопотерь тела пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой. Объединив эти два уравнения, получим следующее соотношение:


Основным фактором, подлежащим анализу, является тепловое сопротивление. Расчет проводится по отношению к тепловому равновесию, т. е. когда:


Развивая функцию, получаем следующее соотношение:

где   

         

является тепловым сопротивлением между объектом и окружающей средой. Задача состоит в том, чтобы определить, является ли рассматриваемая интегральная схема надежной при высоких температурах. Без определенного метода анализа невозможно дать адекватный ответ. При работе в режиме постоянного тока очень часто необходимо анализировать некоторые параметры, такие как тепловое сопротивление (θJA) и температура перехода (θJC). Первый параметр может быть определен как обратная теплопроводность и определяет теплоизоляционные свойства текстильного изоляционного материала. Второй фактор, температура полупроводникового перехода, является важной характеристикой полупроводникового прибора и непосредственно связан с рассеиванием мощности.


Термический инструментарий

Основные методы, используемые для должного управления тепловыделением, могут быть обобщены следующим образом:

анализ композитных материалов, которые обычно являются основными теплообменниками в структурах управления тепловыделением (теплоотводы);

инструменты проектирования, моделирования и анализа, используемые для тестирования, проектирования и анализа производительности тепловыделяющих компонентов;

анализ материалов подложек для корпусирования электроники.

Программное обеспечение проектирования позволяет выполнять термический анализ с помощью моделей и вычислительной гидродинамики в отношении управления воздушным потоком и температурой компонентов и различных соединений.

Комбинируя методы анализа конечных элементов (FEA) для твердых структур и вычислительной гидродинамики (CFD4) для жидкостей, новое решение корпорации Cadence, позволяет полностью оценить систему с помощью одного инструментального средства. При использовании Celsius Thermal Solver с технологиями Voltus IC Power Integrity (предназначена для обеспечения целостности мощностных показателей и поддержки проектных норм и требований в области полной электромиграции и падения напряжения на активном сопротивлении – ​EM/IR – ​при обеспечении точности завершающего контроля по мощности «систем-на-кристалле») и Sigrity (для корпусирования печатных плат и микросхем), группы проектировщиков могут комбинировать электрический и термический анализ, а также моделировать ток и тепловой поток. Это позволяет получать более точное системное моделирование, чем с использованием аналогичных инструментальных средств предшествующего поколения.

Тенденции в секторе управления тепловыделением совпадают с общими тенденциями развития технологий полупроводниковых приборов (особенно микропроцессоров) и компьютерных технологий. Их развитие является результатом синергетического эффекта постоянно разрабатываемых решений по управлению избыточным тепловыделением в современных электронных системах.

Электрические характеристики, безусловно, зависят от теплового профиля. Например, электрическое сопротивление и утечка энергии внутри приборов зависят от температуры. Температура также влияет на функциональность и надежность полупроводниковых приборов. С другой стороны, и тепловой профиль зависит от электрических характеристик. Джоулев (омический) нагрев вводит в систему дополнительный источник тепла, и в этом случае неудачная конструкция может приводить к сильным всплескам тока в токопроводящих дорожках, что вызывает образование горячих точек (т. е. точек работающей электронной схемы с максимальной температурой). Для того чтобы создать оптимальную конструкцию, необходимо учитывать все эти параметры одновременно. Новое решение Cadence обеспечивает такую возможность.

В целях достижения высоких быстродействия и производительности электронная промышленность приступила к разработке 3D ИС. Технология этих схем позволяет формировать вертикальные межсоединения компонентов схем (например, микропроцессоров) в модуле. Соответственно, появилась возможность создания таких конфигураций, как многокристальные модули (MCM), «системы-в-модуле» (SiP), «системы-на-модуле» (SoP) и «модули-на-модуле» (PoP). 3D-процессоры компактны и имеют более короткие межсоединения. Это улучшает пропускную способность и уменьшает воздействие межсоединений на рассеиваемую мощность. Более того, появляется возможность гетерогенной интеграции в едином модуле, что способствует сокращению времени вывода на рынок нового (или модернизированного) прибора, повысить его рентабельность.

Однако 3D-технология становится причиной высокого термического сопротивления, неравномерности пространственного и временного рассеивания мощности, что вызывает проблемы тепловыделения, такие как горячие точки, высокотемпературные отклонения и термические напряжения. Соответственно для 3D-микропроцессоров требуются новые решения в части охлаждения. К ним можно отнести жидкостное охлаждение при помощи микроканальных теплоотводов, TSV-технологию, теплоизоляционные материалы и радиаторы воздушного охлаждения. Технология TSV считается эффективным средством снижения температуры 3D-ИС – это высокопроизводительный метод создания межсоединений сквозь подложку, впервые использованный в КМОП-датчиках формирования сигналов изображения.

Средство Celsius Thermal Solver выполняет статическое (стационарное) и динамическое (переходное) электротермическое моделирование на основе данных о фактическом потоке электрической энергии в современных 3D-структурах. Это обеспечивает максимальную видимость поведения реальной системы.

Разработчики определили три типа подходов к решению задач анализа тепловыделения, с которыми сталкиваются проектировщики ИС, печатных плат и систем. Это подход, ориентированный на ИС, подход, ориентированный на корпусирование и печатные платы, а также подход, ориентированный на конечные электронные системы.

Подход, ориентированный на ИС, позволяет производить электротермическое моделирование сложных структур на уровне микросхем, включая 3D-ИС, межкристальные соединения и TSV. Потребляемая мощность может быть задана пользователем или импортирована из инструмента проектирования микросхем, который генерирует точное профилирование мощности на микросхемах.

Подход, ориентированный на корпусирование и печатные платы, интегрирует анализ конечных элементов и методику CFD для выполнения анализа как переходных, так и стационарных процессов для подлинно 3D-структур и слоистых двумерных структур.

Для более широкого системно-ориентированного подхода также используется интеграция анализа конечных элементов и методики CFD. Это позволяет выполнять анализ переходных и стационарных процессов.

Средство Celsius Thermal Solver позволяет проектировщикам электроники анализировать тепловые проблемы на ранней стадии разработки и делиться этими данными. В свою очередь это уменьшает вносимые на этапе проектирования изменения и обес-печивает возможность проведения новых оценок и реализации проектных идей, недоступную при использовании традиционных решений. Кроме того, Celsius Thermal Solver точно моделирует большие системы с таким уровнем детализации, который позволяет оценить любой интересующий элемент. Таким образом, разработка корпорации Cadence является первым решением, способным моделировать как небольшие структуры, такие как ИС (с распределением мощности), так и большие структуры наподобие шасси (см. рисунок).

Управление тепловыделением закладывает основу для надлежащего контроля рассеиваемой мощности, которая может ограничить производительность ИС и других микроэлектронных компонентов, а также снизить их надежность. Кроме того, немаловажным фактором становится экономия издержек проектирования и снижение воздействия на окружающую среду. Все более широкое распространение микроэлектроники и увеличение потребности в надежности систем, сложность которых постоянно повышается, становится одним из критических факторов, значимость которых непрерывно растет в различных отраслях промышленности и других сферах. Улучшение управления тепловыделением наряду с эффективным анализом возможных отказов обеспечивает не только производительность электронных приборов, но и помогает улучшать их компактность.


Di Paolo Emilio Maurizio. Thermal Analysis for Power Devices. EE Times, November 6, 2019: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1335267#


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.