產(chǎn)生高質(zhì)量芯片：熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)須知

當(dāng)所設(shè)計(jì)的芯片需要滿(mǎn)足經(jīng)常不一致的規(guī)格要求時(shí)，先進(jìn)的工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)也會(huì)帶來(lái)艱巨的挑戰(zhàn)。在納米級(jí)設(shè)計(jì)中，功耗已經(jīng)成為限制性能的主要因素。納米工藝中使用的材料和結(jié)構(gòu)極易增加泄漏功率并降低熱傳導(dǎo)。

所有這些效應(yīng)的最終結(jié)果是裸片上的功率和溫度變化會(huì)有顯著的提高，以均勻芯片溫度為前提的邊界分析方法，已經(jīng)無(wú)法保證成功的設(shè)計(jì)收斂。

裸片上的溫度變化會(huì)顯著地影響芯片功耗、速度和可靠性。特別是泄漏功率與溫度呈指數(shù)關(guān)系，如果不能正確地處理，將導(dǎo)致熱失控。而象壓降和時(shí)鐘偏移等性能因素也特別容易受空間溫度變化的影響，并導(dǎo)致性能下降。

溫度在器件性能劣化過(guò)程中也扮演著重要角色，這是由于偏置溫度不穩(wěn)定等現(xiàn)象引起的，這在模擬電路中更加明顯。最終封裝和相關(guān)冷卻系統(tǒng)的冷卻效率會(huì)由于裸模上的熱點(diǎn)而降低。在許多情況下，片上熱傳感器需要正確放置于最高溫度的區(qū)域。

以下是一些具有熱意識(shí)的設(shè)計(jì)技巧。由于充分考慮了裸片上的溫度分布情況，因此可以提高目前設(shè)計(jì)工具和流程的精度。

建議

1.盡可能早地通過(guò)熱分析檢測(cè)和消除設(shè)計(jì)中的熱點(diǎn)。應(yīng)該早在底層規(guī)劃階段就了解物理版圖和功耗狀況，此時(shí)也是進(jìn)行早期熱規(guī)劃的極好時(shí)機(jī)。

2.在開(kāi)發(fā)裸片的熱圖像時(shí)充分考慮封裝和金屬化效應(yīng)。忽略這些結(jié)構(gòu)、使用功率或功率密度圖去估計(jì)溫度，都會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確的功率估計(jì)和其它對(duì)溫度敏感的分析結(jié)果。

3.在每次可能改變芯片功率分布的設(shè)計(jì)反復(fù)階段中，認(rèn)真檢查熱效應(yīng)。在器件的一些重要工作模式下作的熱分析通常足夠用來(lái)提供熱點(diǎn)和其它關(guān)注點(diǎn)的反饋信息。

4.在對(duì)片上變化敏感的時(shí)鐘樹(shù)和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中充分利用分散的溫度信息。時(shí)序和信號(hào)完整性分析也將受益于準(zhǔn)確的溫度和壓降信息。

5.設(shè)計(jì)諸如片上熱傳感器這樣的熱管理系統(tǒng)，并使裸片具有良好的熱圖像。如果傳感器放置位置不正確，那么它們可能捕捉不到裸片的最高溫度，也就可能導(dǎo)致過(guò)于樂(lè)觀的反饋結(jié)果。

圖：某項(xiàng)設(shè)計(jì)案例中水平面上的溫度變化

1.使用單電源值和封裝的單QJA值計(jì)算裸片的最高溫度。該溫度值通常過(guò)于樂(lè)觀，無(wú)法獲知裸片上的熱點(diǎn)效應(yīng)。

2.在沒(méi)有考慮局部溫度變化的情況下估計(jì)功率和電壓下降。作為總功率主要組成部分的泄漏功率與溫度呈指數(shù)相關(guān)，溫度的少許變化也會(huì)造成泄漏功率很大的變化。這種功率變化還會(huì)使沿著電源線(xiàn)的電壓壓降呈顯著變化。

3.使用以單一均勻芯片溫度為前提的邊界分析工具檢查芯片的時(shí)序性能。10℃以上的溫度差異加上前面所述的壓降變化將導(dǎo)致單元延時(shí)有顯著的改變。另外，越來(lái)越明顯的時(shí)延反轉(zhuǎn)效應(yīng)還可能使建立時(shí)間分析出現(xiàn)問(wèn)題。

4.在沒(méi)有考慮金屬互連沿線(xiàn)的溫度變化情況就作可靠性分析。走線(xiàn)的平均故障時(shí)間與溫度呈指數(shù)關(guān)系，可能導(dǎo)致過(guò)于樂(lè)觀的設(shè)計(jì)，從而使產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)過(guò)早地出現(xiàn)故障。

5.在沒(méi)有檢查裸片上熱點(diǎn)的存在和數(shù)量情況下就設(shè)計(jì)芯片封裝。熱點(diǎn)會(huì)嚴(yán)重影響冷卻材料的效率，從而導(dǎo)致器件上出現(xiàn)過(guò)高的工作溫度。