了解集成电路的热性能

电子系统的小型化和产生大量热量的元件的扩散使得热分析作为保证产品良好功能和可靠性的工具越来越重要。不幸的是，电子行业似乎还没有为这一新挑战做好充分准备。

了解集成电路（无论是微控制器、FPGA 还是处理器）的热性能对于避免可能导致电路故障的过热一直至关重要。电子系统的小型化和产生大量热量的元件（如 LED）的扩散，使得热分析作为保证产品良好功能和可靠性的工具越来越重要。

不幸的是，电子行业似乎还没有为这一新挑战做好充分准备。事实上，组件制造商经常提供非常稀少的有关其设备热行为的信息，有时将自己限制在以瓦特表示的整体耗散的简单事实。在这一切中，软件解决方案允许在热级别解决设计问题以提高性能。

Cadence 摄氏度热求解器基于经过高并行度测试的架构，在不牺牲精度的情况下提供比上一代解决方案快 10 倍的性能，它与用于 IC、封装和 PCB 的 Cadence 实施平台集成。这允许执行系统分析以在过程的早期检测和缓解热问题。Cadence 表示，其摄氏热解算器是第一个完整的电热协同仿真解决方案，适用于从集成电路到物理容器的整个电子系统层次结构。

热性能

使用 3D 封装的公司尤其面临着巨大的热挑战，这些挑战可能要到设计阶段的最后阶段才能发现，而此时进行更改的成本最高。

这使得热管理在封装选择期间至关重要，以确保产品的高可靠性。良好的热评估需要结合分析计算、经验分析和热建模。问题是要确定所讨论的集成电路在高温下是否可靠。

将温度与时间绑定的关系源自两个主要定律：牛顿冷却定律和非潜能守恒定律。第一个可以定义如下：

其中T B是体温，T A是环境温度，K A是比例常数。下面的等式给出了第二定律：

其中 P 是施加到身体的功率，m 是质量，c 是比容量。牛顿定律指出，身体的热损失率与身体与环境之间的温差成正比。结合这两个方程，我们得到以下关系：

热阻是要分析的主要因素。计算是根据热平衡进行的；即，当：

展开函数，我们得到如下关系：

在哪里

是物体与环境之间的热阻。问题是要确定所讨论的集成电路在高温下是否可靠。如果没有特定的分析方法，就不可能提供可靠的答案。在 DC 模式操作中，很多时候必须分析一些参数，例如 θ JA热阻和 θ JC结温。第一个参数可以定义为热导率的倒数，决定了纺织材料的隔热性能。第二个，结温，是半导体中的一个重要因素，与功耗直接相关。

热工具

用于正确热管理的主要技术可总结如下： 复合材料通常是热管理组（散热器）中的主要热交换器；工程师和系统设计师用于测试、设计和分析热组件生产率的设计、建模和分析工具；和用于封装电子产品的基板材料。

设计软件允许通过模型和计算流体动力学执行热分析，以管理组件和各种接头的气流和温度。

Cadence 提出的解决方案结合了固体结构的有限元分析 （FEA） 技术和流体的计算流体动力学 （CFD），允许使用单个仪器对系统进行全面评估。当使用带有 Voltus IC 电源完整性和 Sigrity 技术的摄氏热解算器进行 PCB 和 IC 封装时，设计团队可以结合电气和热分析并模拟电流和热流，获得比上一代工具更准确的系统级热模拟。

热管理领域的趋势与半导体、微处理器和计算机技术的发展保持一致。开发是不断设计的解决方案协同作用的结果，以管理当今电子系统中的过热。

“正如我们所知，电气性能取决于热分布，”Cadence 多域系统分析业务部产品管理总监 CT Kao 说。“例如，设备内的电阻和功率泄漏取决于温度。而且温度也会影响设备的功能和可靠性。另一方面，热分布将取决于电气性能。焦耳加热会在系统中引入额外的热源，而糟糕的设计可能会在走线内产生高电流浪涌，从而引入不利的热点。为了更好的设计，同时考虑这些参数很重要，这就是我们求解器的精髓。”

例如，电子行业对高速和高性能的追求导致了 3D 集成电路的发展。3D 技术允许封装中微处理器组件的垂直互连；这转化为多芯片模块 （MCM）、系统级封装 （SiP）、系统级封装 （SOP） 和层叠封装 （POP） 配置。3D 处理器结构紧凑，互连更短。这提高了内存访问带宽并减少了耗散能级的互连。此外，它将异构技术集成在一个封装中，以缩短上市时间并使其在经济上可行。

然而，3D 会产生高热阻，时空功耗不均匀会导致热点、高温梯度和热应力等热问题；这需要适用于 3D 微处理器的散热解决方案，包括液冷微通道散热器 （MHS）、硅通孔 （TSV）、热界面材料 （TIM） 和风冷散热器 （AHS）。TSV 被认为是降低 3D IC 温度的有效手段，代表了一种高性能互连技术，首次用于 CMOS 图像传感器。

摄氏热解算器根据先进 3D 结构中的实际电能流动执行静态（静止）和动态（瞬态）电热模拟，最大限度地了解真实系统的行为。

“我们已经确定了三种方法来解决工程师在设计中遇到的热分析挑战：以 IC 为中心、以封装和 PCB 为中心以及以系统为中心，”Kao 说。“以 IC 为中心的方法可以对复杂的芯片级结构进行电热协同仿真，包括 3D-IC、芯片到芯片键合和硅通孔。功率输入可以是用户指定的或从在芯片上生成准确功率分布的芯片设计工具导入。对于以封装和 PCB 为中心的应用，我们集成了有限元分析和 CFD，对真正的 3D 结构和 2D 分层结构进行瞬态和稳态分析。对于更大的以系统为中心的方法，有限元分析和 CFD 的集成用于执行瞬态和稳态分析。

审核编辑：郭婷