高性能热分析

了解集成电路的热性能，无论是微控制器、FPGA 还是处理器，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（例如 LED）的扩散，使得热分析作为保证产品良好运行和可靠性的工具的作用越来越重要。

然而不幸的是，电子行业似乎还没有为这个新挑战做好充分的准备：事实上，元件制造商经常提供关于其设备热行为的非常稀缺的信息，有时将自己局限于用瓦特。在所有这些方面，软件解决方案允许在热级别解决设计问题以提高性能。

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，Cadence 摄氏温度求解器与用于 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减轻热问题。Cadence 表示，其Celsius 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，否则这些挑战可能要到设计阶段的最后阶段后期才能确定，此时进行更改的成本最高。

这使得热管理在封装选择过程中必不可少，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。问题是确定所讨论的集成电路在高温下是否可靠。

温度随时间变化的关系来自两个主要定律：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，而 K A是比例常数。以下等式给出了第二定律：

其中 P 是施加到物体上的功率，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：

开发函数，我们得到以下关系：

在哪里

是物体与环境之间的热阻。问题是确定所讨论的集成电路在高温下是否可靠。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，通常必须分析一些参数，例如 θ JA热阻和 θ JC 结温。第一个参数可以定义为热导的倒数，它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概括如下： 复合材料通常是热管理组中的主要热交换器（散热器）；工程师和系统设计师用于测试、设计和分析热元件生产率的设计、建模和分析工具；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完整评估。在 PCB 和 IC 封装中使用带有 Voltus IC 电源完整性和 Sigrity 技术的摄氏度热解算器时，设计团队可以结合电气和热分析并仿真电流和热流，获得比上一代工具更准确的系统级热仿真。

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多余热量。

“正如我们所知，电气性能取决于热分布。例如，设备内的电阻和漏电取决于温度。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上产生高电流浪涌，从而引入不利的热点。为了获得更好的设计，同时考虑这些参数很重要，这是我们求解器的本质，”Cadence 多域系统分析业务部产品管理总监 CT Kao 说。

例如，电子行业对高速和高性能的追求导致了三维 (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) 和封装级封装配置 (POP)。3D 处理器结构紧凑，互连时间较短。这提高了内存访问带宽并减少了耗散能级的互连。此外，它将异基因技术集成在一个单一的包中，以缩短上市时间并使其具有经济可行性。

但是，3D会导致高热阻，时空功耗不均匀导致热点、高温梯度、热应力等热问题；这需要适用于 3D 微处理器的热解决方案，包括液冷微通道散热器 (MHS)、TSV（硅通孔）、热材料接口 (TIM) 和风冷散热器 (AHS)。硅通孔 (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。

摄氏热解算器根据高级 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，提供真实系统行为的最大可见性。

“我们已经确定了三种类型的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。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，也可以是从芯片设计工具中导入的，该工具可在芯片上生成准确的功率曲线。对于以封装和 PCB 为中心的应用，我们将有限元分析和 CFD 集成在一起，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，再次集成有限元分析和 CFD 来执行瞬态和稳态分析。

审核编辑 黄昊宇