微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)2002年第10期矩形集成電路半解析熱分析軟件——Bⅹ熱分析軟件的研制BJX Practical Program Using Semi- Analytical Methodfor Thermal Analysis of Rectangular Integrated Circuit Device史彭1陳雅妮2王占民1甘安生1李東亮(1西安建筑科技大學(xué)西安710055)(2西安微電子技術(shù)研究所西安710054)摘要:半解析熱分析法具有解析法的高精度又具有數(shù)值法的較寬適用范圍。編制岀的計(jì)算軟件具有分析時(shí)間短、操作簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)冋可能成為下一代集成電路實(shí)際使用的熱分析軟件。關(guān)鍵詞:半解析集成電路軟件熱分析1引言外掃描等技術(shù)對(duì)樣片溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)在各種集成電路的研制開發(fā)中,必須進(jìn)行熱設(shè)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確,其主要缺點(diǎn)是:熱分析周期長(zhǎng),需要反計(jì)工作,否則會(huì)降低器件的性能。隨著集成度的大復(fù)生產(chǎn)樣片→實(shí)測(cè)→根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果重新設(shè)計(jì)樣片幅度提高,熱功率密度越來越大,熱設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)生產(chǎn)樣片→…直到產(chǎn)品合格。確性要求越來越高。保證熱設(shè)計(jì)工作準(zhǔn)確性的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的熱分析,即在給定集成電路熱模型和邊界3半解析的熱分析計(jì)算方法條件后,準(zhǔn)確得出溫度場(chǎng)(熱模型中各點(diǎn)的溫度數(shù)半解析熱分析法是近幾年國(guó)際上發(fā)展出的值)分析熱源分布是否合理,給岀熱源合理分布的種新熱分析方法-3。半解析法是利用效理方法中建議。的技術(shù)(如鏡像法、保角變換等)將對(duì)稱性差的模型轉(zhuǎn)換成對(duì)稱性髙的模型求解熱模型溫度場(chǎng),或?qū)?duì)2熱分析方法稱性差的模型分為幾個(gè)對(duì)稱性高的小模型求解熱熱分析方法主要有以下幾種模型溫度場(chǎng)。得岀的一般是具有無解析解的積分(1)熱阻法湜是將熱模型中眢個(gè)熱學(xué)材料粗略式,再利用計(jì)算機(jī)計(jì)算岀溫度場(chǎng)各點(diǎn)的溫度數(shù)值。轉(zhuǎn)換成熱阻”″,按熱阻的串并聯(lián)計(jì)算岀熱模型的溫該方法具有解析法的高精度,又具有數(shù)值法的較寬度場(chǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單,其主要缺點(diǎn)是計(jì)算誤差適用范圍。編制出的計(jì)算軟件具有分析時(shí)間短、操很大只能粗略估計(jì)溫度。作簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。(2)解析法湜是利用數(shù)理方法等技術(shù)解出熱模從國(guó)際上公開發(fā)表的資料上看,集成電路半解型溫度場(chǎng)的函數(shù)表達(dá)式,可利用得出的函數(shù)表達(dá)式析熱分析方法僅處于初步階段,已有成果局限于簡(jiǎn)計(jì)算岀熱模型中各點(diǎn)的溫度。其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)引入計(jì)單熱模型,如已完成了矩形上下同形單層、兩層、三算誤差,其缺點(diǎn)是要求熱模型具有髙度對(duì)稱性,如層熱模型旳半解析熱分析的基本計(jì)箅方法,未見到均勻球、均勻無限大空間、均勻無限長(zhǎng)圓柱體等。由其它復(fù)雜熱模型的研究成果。由于集成電路實(shí)際熱于集成電路實(shí)際熱模型很復(fù)雜,不具備髙度對(duì)稱模型比較復(fù)雜,如矩形集成電路的熱模型已達(dá)到9、性測(cè)在集成電路實(shí)際熱分析中很難使用該方法。11層,還有上下同形、上下不同形的矩形和圓形集(3)數(shù)值法湜是目前實(shí)際熱分析中常用方法數(shù)成電路的熱模型,以及其它形狀熱模型,由于集成值法是利用有限差分法、有限元法、邊界元法等技電路熱模型的復(fù)雜性使得半解析熱方法至今無法術(shù)計(jì)算熱模型溫度場(chǎng)的方法。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)熱模型沒實(shí)用到集成電路的熱分析中。有過多的限制其主要缺點(diǎn)是作者在文獻(xiàn)[3~5]中,利用”鏡像法”、遞推①各種具體的計(jì)算方法都存在程度不同的計(jì)法、”保角變換”等技術(shù),研究了上表面含有熱源的算誤差任意層上下同形模型矩形半解析的熱分析計(jì)算方②由于疊代次數(shù)很多將可能引入一定的計(jì)算法和上表面含有熱源的任意層上下同形圓形模型誤差;半解析的熱分析計(jì)算方法③每一種模型、每一種邊界條件都需要重新處理則分析時(shí)間長(zhǎng)對(duì)操作者的技術(shù)要求高。4矩形集成電中國(guó)煤化工勾成(4)實(shí)測(cè)法是生產(chǎn)出集成電路樣片后利用紅我們用所HCNMHG言編制了計(jì)收稿日期:2002-02-0算軟件,軟件主要有:封面、使用說明、參數(shù)選擇菜2002年第10期微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)單、熱源分布確定菜單、溫度場(chǎng)示意圖、設(shè)計(jì)條件數(shù)(2)計(jì)算快捷、形象。幾分鐘就可以計(jì)算一個(gè)熱據(jù)輸岀文件、溫度場(chǎng)計(jì)算值數(shù)據(jù)輸岀文件等組成。模型。設(shè)計(jì)者可以一邊計(jì)算,邊修改設(shè)計(jì)方案直1)封面。包括軟件名稱、作者等。到滿足熱設(shè)計(jì)要求(2)使用說明。(3)操作簡(jiǎn)單界面友好。(3)參數(shù)選擇菜單。包括熱模型的長(zhǎng)度、寬度、厚度,熱模型各層的厚度和熱傳導(dǎo)系數(shù),底座(可6計(jì)算實(shí)例伐)與空氣的熱交換系數(shù)熱源個(gè)數(shù)。軟件給各個(gè)參我們對(duì)HB076大功率H橋開關(guān)混合電路進(jìn)行數(shù)設(shè)定了預(yù)定值,用↑"↓"鍵移動(dòng)紅色光標(biāo)選實(shí)例計(jì)算,電路的熱模型為三層(基片、粘滯層、底擇參數(shù)項(xiàng)。選定參數(shù)項(xiàng)后用一→"←"鍵增減參數(shù)層)上表面有五個(gè)熱源如圖1所示。各層厚度分別項(xiàng)數(shù)值?？梢杂肅rl艸←″鍵增加參數(shù)項(xiàng)數(shù)值變化為0.64、0.10、1.50mm,各層熱傳導(dǎo)系數(shù)分別為步長(zhǎng)10倍用Ctrl+→鍵恢復(fù)參數(shù)項(xiàng)數(shù)值變化原0.017、0.0016、0.019W/mm·K,底層和空氣的熱步長(zhǎng)。選定所有參數(shù)后按End鍵結(jié)束該菜單軟件交換系數(shù)為0.0030W/mm3·K。提示以上輸入數(shù)據(jù)是否正確″,按y"鍵進(jìn)入下級(jí)菜單,按其它任意鍵返回本菜單,修改參數(shù)項(xiàng)數(shù)1.2W值。軟件根據(jù)所輸λ參數(shù)項(xiàng)數(shù)值繪岀熱模型的側(cè)視圖和俯視圖回圓(4)熱源分布確定菜單。軟件根據(jù)上一菜單中Y 45mm所輸入熱源個(gè)數(shù),逐次確定各個(gè)熱源的位置和熱功圖1熱模型俯視圖率。菜單包括熱源序號(hào)、左上角坐標(biāo)、右上角坐標(biāo)圖2為溫度場(chǎng)計(jì)算值三維圖。圖3為溫度場(chǎng)等左下角坐標(biāo)、右下角坐標(biāo)、熱功率值。用溫線圖,圖中溫度值是在環(huán)境溫度基礎(chǔ)上升高的溫鍵選擇參數(shù)項(xiàng)。用鍵增減參數(shù)項(xiàng)數(shù)值。在度值單位為℃。熱模型的俯視圖中熱源圖作相應(yīng)變化,便于設(shè)計(jì)人T(℃)員清楚地看到熱源在熱模型上的實(shí)際位置。也可以用上述方法改變參數(shù)項(xiàng)數(shù)值步長(zhǎng)10倍。軟件有防止熱源重疊、超限等功能。按End鍵結(jié)束該菜單軟件也加有提示同上。(5)溫度場(chǎng)示意圖。在計(jì)算溫度場(chǎng)數(shù)值的同時(shí)9.5在熱模型的俯視圖上用不同顏色的小色塊繪制出18.5溫度場(chǎng)示意圖,溫度場(chǎng)示意圖下方有色塊——溫度對(duì)照?qǐng)D沒計(jì)人員可以清楚地看到溫度場(chǎng)的輪廓。20(6)計(jì)算結(jié)果輸出。軟件詢問是否需要打印、存圖2溫度場(chǎng)計(jì)算值三維圖盤。聯(lián)好打印機(jī)即可將設(shè)計(jì)條件數(shù)據(jù)和溫度場(chǎng)計(jì)算用紅外掃描儀對(duì)該電路進(jìn)行了溫度場(chǎng)實(shí)測(cè),兩值數(shù)據(jù)打印。輸入文件名即可將這兩個(gè)文件存盤者輪廓一致,有2℃左右的誤差經(jīng)分析是輸入的各設(shè)計(jì)條件數(shù)據(jù)文件以.DTJ結(jié)尾,包括設(shè)計(jì)者所輸個(gè)熱參量誤差所至入的所有數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)內(nèi)的日期。溫度場(chǎng)計(jì)算值數(shù)據(jù)以.DAT結(jié)尾,計(jì)算值數(shù)據(jù)按 Graftools軟件所要302a10求的格式存放以便用 Graftools軟件處理:(7) Graftools軟件處理。利用 Graftools軟件可以繪制出溫度場(chǎng)的三維曲線圖、等溫線圖等15.t軟件的特點(diǎn)我們研制的計(jì)算軟件具有以下特點(diǎn)中國(guó)煤化工(1)計(jì)算結(jié)果精度高。軟件計(jì)算所依據(jù)的半解C MH G Y(mm)02530354045析方法避免了數(shù)值法中所帶來的計(jì)算誤差。圖3溫度場(chǎng)等溫線圖微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)2002年第10期用半解析熱分析方法編制岀的計(jì)算軟件具有 SHI Peng,WANG加han-min,GAA- sheng, LI Dong- liang分析時(shí)間短、操作簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),可能成為 an University of Architecture& Technology,xran71005下一代集成電路實(shí)際使用的熱分析軟件CHEN Ya-ni(Xi'an Microelectronics Technology Institute, Xi'aI710054)參考文獻(xiàn)Abstract: In this paper, a quick easy -to-use program, MCM[1 John N Funk, et al. A Semi-Analytical Method to Predicts developed to predict tempePrint Circuit Board Package Temperatures[J], IEEE Trans-circuit device. The program is based on the semi-analyticalactions on CHMT, October 1992, 15(5): 675-684[2 John Albers. An Exact Recursion Relation Solution for thecent years that is likely to be a general solution for integratedSteaty-State Surface Temperature of a General Multilayer device thermal analysis in the new centuryStructure [J], IEEE Transactions on CPMT-part A, MarchKey words: Semi-analytical, Integrated circuit device, Soft1995,18(1):31~38ware, Thermal analysis[3]史彭.多層微組裝件半解析熱分析方法的研究[J].電子學(xué)報(bào),1997(8):88~89史彭男A6歲教授41史彭,陳雅妮、王占民,多層圓形組件半解析熱分析方陳雅妮女A2歲高級(jí)工程師。的研究[J].電子學(xué)報(bào),2001,29(8):1121-11225]史彭.混合電路表面溫度分布的一種新計(jì)算方法[J西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),1997,29(1):92~95(上接第37頁)常用設(shè)計(jì)方法是一致的,也是周期精確方法的一大比如 Cmd Word進(jìn)程的 outReady信號(hào)置1′將優(yōu)勢(shì)所在會(huì)導(dǎo)致 tempOut被賦予和當(dāng)前內(nèi)部地址相關(guān)的一個(gè)新值,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致 out DataOK被置1′,從而啟動(dòng)5結(jié)論Out Bit循環(huán)。之所以不直接以 out ready代替out-采用周期精確方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具備高度可擴(kuò)DataOK,是因?yàn)槠骷匦圆煌?二者不一定能夠直展性的rC接口。接互替。比如如果是一個(gè)PC和其它總線的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器,雖然接口給出了 ourReady信號(hào),但數(shù)據(jù)的傳參考文獻(xiàn)送還需要另外一種總線配合,而該總線一側(cè)不一定[1 ATMEL Inc.2- wire Serial EEPROM Databook.能馬上準(zhǔn)備好,因而不一定能立即置位out-2 I Thomas D and P Moorby. The Verilog Hardware DescriptionDataOK。其它內(nèi)部信號(hào)也有類似邏輯約束,書寫代language. Kluwer Academic, MA, 1999碼時(shí)必須考慮到相應(yīng)因素實(shí)際上其它邏輯塊可能是采用傳統(tǒng)技術(shù)的al-FANG Cheng-zhi, LI Yuan, TAN Yi-yu(EE Dept, Nanjing University, Nanjing 210093)ways塊或者門基元,也完全可以是采用周期精確方法來描述的 always塊,關(guān)鍵是,必須按照功能要求Abstract: This paper studies the principles of the programmin設(shè)計(jì)輸入輸出間的時(shí)序關(guān)系,處理好不同 always塊 method based on the cycle accurate propertyHDI之間的信息傳遞機(jī)制”。which is used to describe digital systems. As an application of此外,由源代碼可見,周期精確方法實(shí)現(xiàn)的邏 this method,anI2 C interface for eeprom is realized, which car輯,可以和系統(tǒng)的其它部分分開設(shè)計(jì),只需要注意 be adapted to work with other devices with slight modifica幾個(gè)內(nèi)部控制信號(hào)的相互耦合關(guān)系即可,因而,可 Key words: Cycle accurate, Verilog HDL,,rC, EEPROM以將本文幾個(gè)進(jìn)程的源代碼復(fù)用在不同器件的IC中國(guó)煤化工接口設(shè)計(jì)中。事實(shí)上,這種設(shè)計(jì)方法和SOC系統(tǒng)的CNMHG