芯片熱效應(yīng)成半導(dǎo)體設(shè)計(jì)一大挑戰(zhàn) IoT讓問題更復(fù)雜

 隨著汽車、太空、醫(yī)學(xué)與工業(yè)等產(chǎn)業(yè)開始采用復(fù)雜芯片，加上電路板或系統(tǒng)單芯片(SoC)為了符合市場需求而加入更多功能，讓芯片熱效應(yīng)已成為半導(dǎo)體與系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的一大問題。

據(jù)Semiconductor Engineering報(bào)導(dǎo)，DfR Solutions資深工程師指出，隨著芯片與電路板越來越小，讓熱問題顯得更加嚴(yán)重。Ansys副總則指出，熱會(huì)帶來一堆無法預(yù)知的變化，讓業(yè)者必須從 芯片封裝或系統(tǒng)層次評(píng)估熱沖擊的程度，F(xiàn)inFET制程中必須處理局部過熱問題，而且進(jìn)入10或7納米后程度更嚴(yán)重。

早在2001年，時(shí)任英特爾(Intel)技術(shù)長的Pat Gelsinger便曾預(yù)測未來10年內(nèi)，芯片上能源密度提高是必須設(shè)法解決的問題。在高密度封裝的SoC中，并非所有的廢熱都能散出。

明導(dǎo)國際(Mentor Graphics)行銷經(jīng)理指出，以車載娛樂系統(tǒng)為例，儀表板會(huì)產(chǎn)生熱且不易散出，便有可能讓絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)變得不穩(wěn)定，因此熱管理必須從更接近矽的角度加以評(píng)估。

至于預(yù)先評(píng)估何處以及何時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱問題，便必須倚賴各種工具、經(jīng)驗(yàn)與運(yùn)氣達(dá)成。而且隨著晶粒上溫度不平均，欲計(jì)算熱對(duì)穩(wěn)定性造成影響為何也越加困難，目前所有EDA廠商已聯(lián)合企圖解決該問題。

Synopsys工程師指出，擁有極準(zhǔn)確且資訊充足的模型顯得更加重要，但也帶給電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)廠商一定壓力。益華電腦(Cadence)表示，傳統(tǒng)上分析工具大多針對(duì)封裝溫度，但10納米FinFET后，考量的地方必須從電路板轉(zhuǎn)移至電晶體上。

Sonics技術(shù)長也指出，目前漏電流問題依舊存在，而且半導(dǎo)體物理也未改變。外界雖集中在利用時(shí)脈來控制功耗，但事實(shí)上時(shí)脈樹(clock tree)仍有許多功耗產(chǎn)生。另一項(xiàng)必須面對(duì)的挑戰(zhàn)則是動(dòng)態(tài)電源管理。

Wingard 則認(rèn)為解決之道是提升時(shí)脈控制效率，另外，先進(jìn)封裝或是個(gè)別晶粒封裝等也是可行方式之一。Tessera總裁指出，其牽涉主要問題便是熱耗散，也就是晶粒的厚度。因?yàn)闇p少厚度可降低電阻讓更多熱散出。該公司已開始開發(fā)以不同方式堆疊DRAM，讓DRAM一部份可以開口讓更多冷氣進(jìn)入。

另外，Kilopass等公司也在開發(fā)可抗熱的一次性可程式(OTP)記憶體，來取代其他種類非揮發(fā)記憶體。該公司副總指出，內(nèi)嵌快閃記憶體可支援到攝氏85度，但OTP可支援到125度。

目前業(yè)界也開始研究如何一開始就解決熱效應(yīng)問題。明導(dǎo)國際指出，熱矽穿孔(TSV)是研究方向之一，另外，在晶粒下方蝕刻液流道(liquid channels)與引進(jìn)新的熱介面材料也是研究對(duì)象。

iROC Technologies總裁指出，高溫與高伏特將會(huì)提高閂鎖效應(yīng)(latch-up)風(fēng)險(xiǎn)，造成穩(wěn)定度嚴(yán)重的問題，另一個(gè)溫度造成的影響則是實(shí)際的熱中 子(thermal neutron)通量。DfR Solutions認(rèn)為，熱也是造成快閃記憶體逐漸出現(xiàn)位元滑動(dòng)(bit slip)與資料保存問題的原因。

如今隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)發(fā)展后，上述問題將更加復(fù)雜，熱問題已逐漸成為設(shè)計(jì)必考量的一部分，而且與功耗、架構(gòu)、制程與封裝都密切相關(guān)。