电子系统设计中芯片热分析的挑战-卡核

在我们宇宙诞生之初，大约138亿年前，在模型和测量的支持下，大量的热量或能量理论上能在0到10-43秒的时间内产生和释放。从那时起，各种物理机制不断将能量转化为其他形式或将其转化为热量，包括太阳中的核聚变和电子设备中计算机芯片上微小晶体管的自加热。对于每一个功能良好的系统来说，无论是病毒之类的活生物体还是智能手机之类的人造设备，工作温度范围都将是直接关系到系统灵活性的最基本因素之一。因此，在各种期望的能量输入和输出条件下，能够揭示系统内温度信息或分布的热分析将是确保系统运行和性能的核心要素之一。

芯片上的热分析已被开发者视为电子系统设计的关键要求之一。从本质上讲，热传输是一个扩散过程，不同于电路中的电传输。电流流过导电路径，相关电气特性主要限于导电路径（金属）。在评估大电位差下的电磁相互作用和介质击穿时，通常会用到介电材料。另一方面，热量将扩散到系统中的所有材料中，尽管金属中的热传导通常比电介质中的热传导有效得多。这是系统级传热分析应包括系统中物理存在的所有材料的主要原因。除了热传输同时涉及金属和电介质这一事实外，芯片上热分析的重要性和挑战相关的几个方面详述如下：

芯片上的实际功率分析–芯片上的功率分析将是热分析的必要信息，因为它代表系统的热量产生或输入。如今，一个复杂的IC芯片可以包含多个负责各种功能的IP模块，每个模块可以根据需要生成不同的功率值。如果没有详细准确的芯片功率分布作为输入条件，热分析和温度分辨率将缺乏适用性和实用性。

IC芯片(Integrated Circuit Chip)是将大量的微电子元器件（晶体管、电阻、电容等）形成的集成电路放在一块塑基上，做成一块芯片。IC芯片包含晶圆芯片和封装芯片，相应 IC 芯片生产线由晶圆生产线和封装生产线两部分组成。

IP核（Intellectual Property core）是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序，该程序与集成电路工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中去生产集成电路芯片。IP内核可以在不同的硬件描述级实现，由此产生了三类IP内核：软核、固核和硬核。

瞬态电-热协同模拟——如上所述，现代电子设备通常采用多个模块在芯片上执行多个任务，不仅在平衡或稳定状态下，而且在瞬态状态下，瞬态包括执行多个任务的开关操作。仅基于稳态热分析的允许温度标准不足以进行设计优化，因为这些标准可能会在功耗方面引入过多限制，这在涉及瞬态操作的实际应用中可能不现实。此外，电路中的焦耳加热应包括在热分析中，因为它会产生额外的热源。由此产生的高温会改变电阻，进一步增强焦耳热效应，从而导致“热失控”的不利现象，甚至导致系统故障。

系统级瞬态热分析：随时间推移的温度分布

包括封装、PCB和系统在内的环境影响 ——如系统中产生或输入的电、热——将寻求流经和流出系统到环境的阻力最小的路径。传统芯片上的热分析通常不会考虑热传输的芯片外路径，主要是因为1）片上分析的粒度分析可能不容易在芯片外的组件上实现，2）芯片外的组件的详细配置通常不容易得到。然而，“封闭系统”的热分析将无法满足不断发展的电子系统的设计要求。

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Velocity streamlines：速度流线

异构封装(3DIC配置)–随着摩尔定律接近芯片关键尺寸的物理极限，设计师们现在专注于在第三维度上构建设备，即芯片所在的平面外。例如，一个异质封装结构可包含置于公共硅中介层上的多个芯片，这就是当前先进的 IC 芯片设计人员正在研究的代表性 3DIC 配置。3DIC 设计不仅在将多个异质元件集成到一个基板上时具有挑战性，而且异质设计还高度依赖于带有各种电源的元件之间的热行为和温度分布分析，从而通过优化设计来实现预期性能。