第40卷第1期微電子學(xué)Vol 40, No. 12010年2月MicroelectronicsFeb.2010熱功率信號(hào)下芯片溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)及熱特性分析郭春雨,崔國(guó)民上海理工大學(xué)熱工程研究所,上海200093)摘要:,針對(duì)電子元件在瞬態(tài)傳熱中的熱慣性問(wèn)題,對(duì)芯片在熱功率信號(hào)作用下的溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)芯片溫度對(duì)芯片發(fā)熱功率的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)求得芯片上關(guān)鍵點(diǎn)的傳遞函數(shù);根據(jù)芯片溫度的方波響應(yīng)曲線(xiàn)和正弦響應(yīng)曲線(xiàn),重點(diǎn)對(duì)熱功率信號(hào)給芯片造成的溫度沖擊與信號(hào)周期之間的關(guān)系進(jìn)行分析。該研究對(duì)提高電子元件抵抗熱沖擊和熱疲勞的能力具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:熱功率信號(hào);芯片;動(dòng)態(tài)響應(yīng);熱特性;溫度沖擊中圖分類(lèi)號(hào):TN452文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004-3365(2010)01-0157-08Analysis on Temperature Dynamic Response and Thermal Characteristicsof Chips based on Thermal Power Signal(Institute of Thermal Engineering, University of shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P. R. China)Abstract: In order to explore thermal inertia of electronic components, dynamic temperature response character-of chips based on thermal power signals were identified. According to step function response curves of chipstemperature, transfer functions of temperature at chip's key points were established. Relationship between tempera-ture shock to chips induced by thermal power signals and signal period was analyzed in detail, based on square wavesignal and sine signal response curves of chips temperature. This work is helpful in improving the capability of elec-tronic components to resist thermal shock and thermal fatigue.Key words: Thermal power signal; Chip: Dynamic response; Thermal characteristics; Temperature shockEEACC: 2250@2GHz芯片消耗的功率高達(dá)75W。由此帶來(lái)的1引言過(guò)高溫度將降低芯片的工作穩(wěn)定性,增加出錯(cuò)率;同時(shí),模塊內(nèi)部與其外部環(huán)境間所形成的熱應(yīng)力會(huì)直如今,微電子芯片的發(fā)展呈現(xiàn)三大趨勢(shì):進(jìn)一步接影響到芯片的電性能、工作頻率及機(jī)械強(qiáng)度提高集成度減小芯片尺寸及增大時(shí)鐘頻率。同時(shí),此外,由于各種電子元件材料的熱膨脹系數(shù)不同,以高集成度計(jì)算機(jī)芯片引發(fā)的熱障問(wèn)題成了制約其持及在變化的溫度場(chǎng)中材料本身的粘性彈性塑性會(huì)續(xù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。一枚英特爾 Pentium4發(fā)生非線(xiàn)性變化等原因,材料本身溫度分布的不均芯片集成的晶體管有4200萬(wàn)個(gè),根據(jù)“摩爾定律”勻也將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力和能量的積累。這種推算:芯片上的晶體管數(shù)目每18個(gè)月翻一番,那么累積會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生輕微的裂紋,隨著電子元件自身工到2010年芯片上的晶體管數(shù)量將超過(guò)10億2。作時(shí)間的延續(xù),裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展,以致最后造成分層伴隨著晶體管集成度的迅速提高,芯片功率與功率或斷裂,從而影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。密度也在急劇增加?，F(xiàn)有AMD處理器 Athlon中國(guó)煤化工求穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)器120H產(chǎn)生的熱量已達(dá)66W,一枚 Pentium44件單位HCNMH文認(rèn)為要確保收稿日期:20090909;定稿日期:20091026基金項(xiàng)目:教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20080252000;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20406011);上海市教育委員會(huì)發(fā)展基金資助項(xiàng)目(07285);上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助(S30503)158郭春雨等:熱功率信號(hào)下芯片溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)及熱特性分析2010年電子元件的壽命、提高其可靠性特別需要對(duì)電子元表1所選風(fēng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)件在熱信號(hào)作用下的抗沖擊、抗疲勞能力進(jìn)行研究Table 1 Technical specification of the wind generator進(jìn)行此項(xiàng)研究的一個(gè)前提是了解電子元件的熱慣參數(shù)數(shù)值性而了解其熱慣性就需要對(duì)電子元件在熱信號(hào)作幀尺寸/m70×70×15用下的溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行識(shí)別。另一方面,由速度于實(shí)際中很多隨機(jī)的熱功率信號(hào)是由基本信號(hào)疊加電壓/V而成的,故對(duì)基本熱信號(hào)作用下芯片溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行研究,可以為防止電子元件的偶然性損電流/A0.22壞,以及改變計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式提供指導(dǎo)。轉(zhuǎn)速/RPM鑒于此,本文對(duì)球狀柵格陣列封裝的芯片及其空氣流量/CFM29.50散熱系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)建模,并基于 Flotherm的瞬態(tài)計(jì)氣壓/mmH2O算功能,對(duì)階躍信號(hào)、方波信號(hào)和正弦信號(hào)作用下芯片的溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及熱特性進(jìn)行研究重量/g2物理模型及數(shù)學(xué)建模仿真對(duì)象由芯片(chip)、風(fēng)機(jī)( wind generaMonitor itor)熱沉( heat sink)和電路板(PCB)組成,如圖1Monitor 2TIM所示。風(fēng)機(jī)選用BD7015軸流風(fēng)機(jī),技術(shù)參數(shù)如表1所示。熱沉材料為鋁,總體尺寸為68mm×82mmontosubstrate4.5mm;熱沉的底部平板(從翅片根部到熱沉底面的部分)厚度為9.5mm;熱沉翅片數(shù)量25;翅片厚度1mm。芯片為一枚英特爾 Pentium4,采用倒圖2布置于芯片上表面的三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)裝焊方式置于有機(jī)基板( substrate)上。如將熱沉拿2 Three temperature monitors on the top of the chip掉在圖2中就可看到芯片及芯片上表面布置的三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)(進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、布置熱電偶時(shí),可在集成熱擴(kuò)展面,即IHS的表面,加工出較淺的凹槽,將熱MonitorI電偶的感溫探頭埋入凹槽)。其中, Monitor1布置在芯片的中心; Monitor2布置在 Monitor1正下方的芯片邊緣處; Monitor3布置在芯片邊角處,如圖3所示。PCB的尺寸為:120mm×120mmMonitor Monitor1.6mm。圖4所示為截取芯片的四分之一部分。wind generator圖3芯片及印制電路板的俯視圖Fig. 3 Vertical view of chip and PCBheatsink中國(guó)煤化工CNMH Golder bal圖1被仿真的對(duì)象系統(tǒng)圖4芯片的四分之一部分Fig. 1 System under simulationFig. 4 A quarter of the chip第1期郭春雨等:熱功率信號(hào)下芯片溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)及熱特性分析芯片封裝內(nèi)部裸片(die的尺寸為10mm×10mm劃分的時(shí)間網(wǎng)格數(shù)為100個(gè),故總計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為空0.7mm;基板尺寸為35mm×35mm×1mm;間網(wǎng)格數(shù)與時(shí)間網(wǎng)格數(shù)的乘積芯片插座( socket)的尺寸為36mm×36mm×4mm;在裸片的背面加一個(gè)集成熱擴(kuò)散面(IHS:Integrated Heat Spreader),以增加其散熱面積。為了減小接觸熱阻,在裸片與熱擴(kuò)散面之間涂一層05mm厚的熱界面材料(TM: Thermal InterfaceMaterials),在熱擴(kuò)散面與熱沉底部之間也必須涂層熱界面材料,其厚度為1mm。從圖4可以看View: 2 2D.2View:3 2D+x到裸片與基板是通過(guò)焊料球( solder balls)連接的。 Flotherm所基于的數(shù)值求解方法是有限容積法,求解流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型可用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程3來(lái)描述。質(zhì)量守恒:+m)+(m)8y+-2=0(1)圖5求解域的網(wǎng)格劃分動(dòng)量守恒:Fig. 5 Grid situation of the solution regiona(m2+ divdauU))=d(gadn)+S.-2模型中各組件的材料及導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示其中,PCB的導(dǎo)熱性能為各向異性,故三個(gè)方向上(2-a)的導(dǎo)熱系數(shù)是不完全相同的。芯片的熱功耗是整個(gè)a(p)+dv(∞U)=dv(, grad v)+Sy條統(tǒng)的熱源各模型組件之間通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)(2-b)行傳熱、且服從傅里葉導(dǎo)熱定律a()+dival)=div(n grad w)+S.-ap表2各模型組件的材料及導(dǎo)熱系數(shù)Table 2 Materials and thermal conductivity of modules模型組件材料導(dǎo)熱系數(shù)W/(m·K)能量守恒:棵片(die)純硅117.5ar+ div(pU.h)=diva grad b)+cps.集成熱擴(kuò)散面(IHS)銅398.0焊料球( solder bal)Pb9o/Sn1025.基板( substrate聚酰亞胺流體的速度矢量U在三個(gè)坐標(biāo)軸的分量分別芯片插座( (socket)復(fù)合材料2.0為a、U、,流體壓力為p、密度為p、動(dòng)力粘度為n。粘結(jié)劑粘結(jié)劑1.1為一般化起見(jiàn)這里,、、、p、P均為空間坐標(biāo)及熱界面材料(TMD導(dǎo)熱脂10時(shí)間的函數(shù);表示溫度:r表示時(shí)間;對(duì)于不可壓縮印制電路板( PCB) FR48.37,8.37,0.32流體,其密度p為常數(shù);S、Sn、S。為三個(gè)動(dòng)量方程的廣義源項(xiàng)。對(duì)于粘性為常數(shù)的不可壓縮流體,S3典型熱功率信號(hào)下芯片溫度的動(dòng)態(tài)=S=S=0。在(3)式中,λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù),S=S+@,S4為流體的內(nèi)熱源項(xiàng),φ為由于粘性作響應(yīng)特性識(shí)別用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分;h為比焓,對(duì)理想氣以下計(jì)算模型均在 Flotherm軟件中設(shè)定:1)模體液體及固體可取h=ctc為比熱。對(duì)以上數(shù)型組件處于一個(gè)大氣壓和35℃的環(huán)境條件下(即模學(xué)模型,可用Fohm軟件進(jìn)行求解,圖5為在擬機(jī)中國(guó)煤化工時(shí)考慮流動(dòng)與傳Flotherm建模環(huán)境下的網(wǎng)格劃分熱;3CNMHG型整個(gè)求解域的網(wǎng)格數(shù)為185115個(gè)即空間網(wǎng)3.1階躍信號(hào)下芯片溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)格數(shù)。由于要進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算還必須劃分時(shí)間網(wǎng)格,Flotherm中,芯片的實(shí)際熱功率等于總功率與若整個(gè)瞬態(tài)計(jì)算時(shí)間為100.每個(gè)時(shí)間步為1s,則 Multiplier(因子)的乘積,且芯片設(shè)定為均勻的體熱郭春雨等:熱功率信號(hào)下芯片溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)及熱特性分析2010年源,在此設(shè)定其總功率為100W, Multiplier隨時(shí)間ar與發(fā)熱功率階躍量△Q之比,即:的變化如圖6所示。芯片的實(shí)際熱功率變化過(guò)程對(duì)KI(從圖7可得到溫度值)應(yīng):在OA段,計(jì)算機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行階段;在A(yíng)B段,由于計(jì)算量的增大,故芯片發(fā)熱功率有一個(gè)突增,之∴K1=(40.450-39.952)℃=0.083℃/W后計(jì)算機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行到C點(diǎn);在BC段,芯片的發(fā)熱功率穩(wěn)定在66W(100W×0.66=66W)。處的表示時(shí)間常數(shù))1M圖8計(jì)算動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的分析過(guò)程Fig.8 Analysis process to calculate dynamic parameters計(jì)算時(shí)間常數(shù)T可參見(jiàn)圖8,以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系橫軸為時(shí)間軸,縱軸為溫度軸。O點(diǎn)為階06.0.6)A(70.0,0.6)B(7.1,0.66c130.0,0.6)躍響應(yīng)發(fā)生的起始點(diǎn),其坐標(biāo)為(70.0,39.952)。在曲線(xiàn)M1變化速度最快處(A點(diǎn))做一切線(xiàn),此切圖6芯片熱功率信號(hào)的階躍變化Fig. 6 Step function of chips thermal power signal線(xiàn)與時(shí)間軸的交點(diǎn)為N點(diǎn)。階躍后, Monitor1處的溫度趨于穩(wěn)定(即曲線(xiàn)M1接近水平),沿曲線(xiàn)M1做一條虛線(xiàn),與切線(xiàn)交于B點(diǎn);過(guò)B點(diǎn)作垂線(xiàn),交時(shí)間軸于E點(diǎn)。由自動(dòng)控制中飛升曲線(xiàn)法部分的內(nèi)容可知:線(xiàn)段NE所表示的時(shí)間即時(shí)間常數(shù)T。de(4)yA二yNA點(diǎn)和N點(diǎn)的坐標(biāo)分別為A(xA,yA)、N(xN,y)。帶入這兩點(diǎn)的坐標(biāo),可得:T1=3.38。對(duì)80859095100105于芯片上 Monitor2和 Monitor3處,同理可得:圖7階躍信號(hào)下芯片溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)K37W=0.042℃/WFig. 7 Dynamic response curves of chip's temperaturebased on step function thermal power signalK3=94=36,866536:693=0.029℃/w仿真結(jié)果如圖7所示,曲線(xiàn)M1即芯片中心T2=2.537s,T3=2.51ls。Monitor1處的溫度隨時(shí)間的變化情況。三條溫度飛升曲線(xiàn)法是通過(guò)對(duì)被測(cè)對(duì)象施加階躍擾動(dòng)作響應(yīng)曲線(xiàn)M1、M2、M3均表明:芯片溫度對(duì)自身用得到被測(cè)參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)以此來(lái)識(shí)別對(duì)發(fā)熱功率的階躍響應(yīng)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié),故其傳遞函象動(dòng)態(tài)特性的一種方法。采用飛升曲線(xiàn)法確定對(duì)象數(shù)為:((3)-+1,K表示放大系數(shù),T為時(shí)間的輸入輸出關(guān)系時(shí)階躍量不能太大因?yàn)樵诰€(xiàn)測(cè)試常數(shù)。時(shí),這中國(guó)煤化工而且,階躍擾動(dòng)計(jì)算響應(yīng)曲線(xiàn)M1、M2M3的動(dòng)態(tài)特性參厘在稱(chēng)CNMH G中心、芯片溫度數(shù),以芯片中心 Monitor1處為例,其放大系數(shù)為從個(gè)穩(wěn)態(tài)工況過(guò)渡到下一個(gè)穩(wěn)態(tài)工況時(shí)溫度階躍量階躍響應(yīng)曲線(xiàn)的放大系數(shù)逐漸增大。這表明在芯片熱功率發(fā)生階躍變化時(shí),越靠近芯片中心的部位,第1期郭春雨等:熱功率信號(hào)下芯片溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)及熱特性分析161其升溫幅度越大(相對(duì)于該點(diǎn)溫度的前一個(gè)穩(wěn)態(tài)值片的熱功率突增時(shí), Monitor2和 Monitor3處的瞬而言)。另一方面,IHS表面的這三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)從垂態(tài)響應(yīng)時(shí)間更短即其溫度能從一個(gè)穩(wěn)態(tài)更快地過(guò)直方向的導(dǎo)熱狀況來(lái)看其差別并不大,但是越靠近渡到下一個(gè)穩(wěn)態(tài)。從動(dòng)態(tài)特性參數(shù)看,即其時(shí)間常芯片邊緣對(duì)流換熱對(duì)芯片的影響越大。綜合而論,數(shù)T表現(xiàn)得更小。因此,研究熱功率信號(hào)作用下芯Monitor2和 Monitor3處的散熱條件比 Monitor1片不同點(diǎn)處的溫度沖擊對(duì)芯片造成的危險(xiǎn)性影響,處的好。因此,與芯片中心 Monitor1處相比,當(dāng)芯最終要有所區(qū)別。表3曲線(xiàn)M3M2、M1的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)及傳遞函數(shù)Table 3 Dynamic characteristic parameters and transfer functions of response curves M-3, M-2 and Ml動(dòng)態(tài)特性及傳遞函數(shù)M-32M-1放大系數(shù):K/(℃·wK3=0.029K2=0.04時(shí)間常數(shù):T/s(s:秒T3=2.511T2=2.537T1=3.338傳遞函數(shù):G=仍十(此處的是復(fù)數(shù)變量)G()=2.51+G2()=0.0420.0297+1G1()=3.338+13.2方波信號(hào)下芯片溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)12可見(jiàn),芯片中心 Monitor1處的響應(yīng)溫度從穩(wěn)態(tài)設(shè)定總功率為100W,熱功率因子( Multiplier)值(-5s到0s時(shí)的溫度值)到達(dá)穩(wěn)定振蕩階段的這隨時(shí)間的方波變化如圖9所示。為方便處理數(shù)據(jù)設(shè)定時(shí)間是負(fù)值時(shí)為穩(wěn)態(tài)工作。穩(wěn)態(tài)時(shí),芯片的熱過(guò)渡階段穩(wěn)定振蕩階功率值為60W(100W×0.6),方波的峰谷值之差為穩(wěn)態(tài)時(shí)芯片熱功率值的10%,方波的占空比為50%穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度值b064圖10方波熱功率信號(hào)下芯片中心 Monitor1處的溫度響應(yīng)曲線(xiàn)(信號(hào)周期分別為0.5s2s、68)Fig. 10 Temperature dynamic response curves of Monitor200204060801001 based on square wave thermal power signal圖9芯片熱功率的方波信號(hào)(方波周期Tc=6s)9 square wave thermal power signal(Period is 6 s圖10~圖12所示分別是計(jì)算得出的九種不同周期方波信號(hào)下芯片中心( Monitor1處)的溫度響(應(yīng)情況。熱功率信號(hào)發(fā)生方波變化后:信號(hào)周期較小時(shí)(周期為0.5s2s、6s),由圖10可見(jiàn),芯片中心處的溫度呈現(xiàn)鋸齒狀變化,響應(yīng)溫度在達(dá)到穩(wěn)定j方郎事振蕩前有一個(gè)明顯的爬升過(guò)程,即由低溫向高溫的逐漸過(guò)渡階段。圖11中國(guó)煤化工oior1處的溫度說(shuō)明:圖7所示是 Flotherm軟件的仿真結(jié)果;CNMHGS26:、42s)為方便處理數(shù)據(jù)圖10及下文中的圖表所示均是將 Fig. 11 Temperature dymamic response curves of Moni軟件的仿真結(jié)果在 Excel中進(jìn)行處理后得到的。隨著方波熱功率信號(hào)周期的增大由圖11和圖(Periods are 16 s, 26 s and 42 s, respectively)郭春雨等:熱功率信號(hào)下芯片溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)及熱特性分析2010年個(gè)過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)很不明顯。這會(huì)在短時(shí)間內(nèi)使芯片積分平均溫度可用(6)式計(jì)算:溫度有一個(gè)突然的攀升,給芯片造成劇烈的溫度沖1∑Tal e0 2C2十t1)·(擊。這對(duì)電子元件顯然是不利的,應(yīng)極力避免(6)44M樂(lè)了f對(duì)于九種周期的方波熱功率信號(hào),可計(jì)算求得九個(gè)積分平均溫度值如圖14所示。當(dāng)熱功率信號(hào)周期由小增大時(shí),積分平均溫度值雖然也在增加,但其增幅卻始終在0.1℃之內(nèi)。積分平均溫度反映芯片在熱功率信號(hào)作用下的平均溫度水平,而此平均75155235315395475溫度水平又是芯片抵抗熱疲勞能力的重要標(biāo)志。若r=543+64+t808平均溫度較高,說(shuō)明抵抗種熱沖擊的能力較差,芯片圖12方波信號(hào)下芯片中心 Monitor1處的溫度響應(yīng)曲線(xiàn)較容易在此種沖擊下出現(xiàn)熱疲勞,不利于保證芯片(信號(hào)周期分別為54s64s,80s)的工作穩(wěn)定性。但在圖14中,由于熱功率信號(hào)周期Fg12 Temperature dynamic response curves of Monitor的增加沒(méi)有引起積分平均溫度的大幅增加,故此處1 based on square wave thermal power signal熱功率信號(hào)周期的增加對(duì)芯片在熱沖擊下的抗疲勞Period are 54 s, 64 s and 80 s, respectively)能力已無(wú)明顯影響。0.302399405060708090周期/s周期/s圖13芯片中心 Monitor1處響應(yīng)溫度的振幅隨熱功圖14積分平均溫度隨熱功率信號(hào)周期的變化率信號(hào)周期的變化ig. 14 Change of integration average temperatureFig. 13 Amplitude change of response temperature atwith thermal power signals'periodsMonitor 1 with thermal power signals,periods3.3正弦信號(hào)下芯片溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖13所示,隨著方波信號(hào)周期Tw的增大,芯片熱功率信號(hào)隨時(shí)間的周期性正弦變化如圖芯片中心 Monitor1處響應(yīng)溫度振幅增加的幅度卻15所示。穩(wěn)態(tài)時(shí)(0s之前),芯片熱功率為70W,越來(lái)越小。周期64s時(shí)與周期80s時(shí)的溫度振幅相差僅0.002℃可以認(rèn)為此時(shí)溫度振幅已不隨熱功率信號(hào)周期的增加而變化,故可把64s作為一個(gè)臨界周期T。當(dāng)Tm小于T時(shí),熱功率信號(hào)對(duì)芯片造成的溫度沖擊與信號(hào)周期有關(guān);而當(dāng)Tw大于等于T時(shí),由于 Monitor1處響應(yīng)溫度振幅已不隨熱功率信號(hào)周期的變化而改變,故此時(shí)熱功率信號(hào)對(duì)芯片造成的溫度沖擊已與信號(hào)周期無(wú)關(guān)。所以,中國(guó)煤化工當(dāng)Tw小于T時(shí),要降低對(duì)芯片造成的溫度沖擊,應(yīng)盡量減小熱功率信號(hào)的周期CNMHG將整個(gè)計(jì)算時(shí)間c劃分為n個(gè)時(shí)間步對(duì)應(yīng)n圖15芯片熱功率的周期性正弦信號(hào)周期T=1s)個(gè)響應(yīng)溫度值。由于本文將時(shí)間步劃分得很密,故Fig.15 Periodic sine thermal power signal( Period is1s)第1期郭春雨等:熱功率信號(hào)下芯片溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)及熱特性分析正弦信號(hào)的振幅為7W(振幅為穩(wěn)態(tài)熱功率值的相差0.004℃和0.002℃,故可認(rèn)為周期大于54s10%)。圖16和圖17所示是計(jì)算求得的8種周期時(shí),溫度振幅已不隨熱功率信號(hào)周期的增加而增加,正弦信號(hào)下 Monitor1處的響應(yīng)溫度情況。故可把54s作為一個(gè)臨界周期T。當(dāng)T小于T時(shí),熱功率信號(hào)對(duì)芯片造成的溫度沖擊與信號(hào)周過(guò)渡階段—穩(wěn)定振蕩階段期有關(guān);而當(dāng)T大于等于T時(shí),因芯片中心Mo41.1nitor1處響應(yīng)溫度振幅已不隨熱功率信號(hào)周期的變化而改變,故此時(shí)熱功率信號(hào)對(duì)芯片造成的溫度40擊已與信號(hào)周期無(wú)關(guān)所以,當(dāng)T小于r,時(shí)若要降低對(duì)芯片造成的溫度沖擊,應(yīng)盡量減小熱功率信號(hào)的周期5051015202530354045505560t/srlst2s·|=4s器04圖16正弦熱功率信號(hào)下芯片中心 Monitor1處的溫度0.3響應(yīng)曲線(xiàn)(周期分別為1s2s4s,8s)16 Temperature dynamic response curves of Moni-tor 1 based on sine thermal power signal (Peri-ods are 1 s, 2s, 4 s and 8 s, respectively)00周期/8414圖18響應(yīng)溫度的振幅隨熱功率信號(hào)周期的變化Fig 18 Amplitude change of response temperature atMonitor 1 with thermal power signals'periods根據(jù)(6)式,可求得8種周期的正弦熱功率信號(hào)想:￥各自的積分平均溫度值如圖19所示。當(dāng)正弦熱功1552353354755635率信號(hào)的周期由小增大時(shí),雖然其積分平均溫度值r32s·r54-r=66r=76s也在增加,但其增幅卻始終在0.05℃之內(nèi)。積分平圖17正弦熱功率信號(hào)下芯片中心 Monitor1處的溫度響均溫度反映芯片在熱功率信號(hào)作用下的平均溫度水應(yīng)曲線(xiàn)(周期分別為32s548、66s76s)平,此平均溫度水平可作為芯片抵抗熱疲勞能力的Fg17 Temperature dynamic response curves of Monitor1一種重要度量。若平均溫度較高,則芯片較容易在based on sine thermal power signal( Periods are32此種沖擊下出現(xiàn)熱疲勞說(shuō)明其抵抗熱沖擊的能力s, 54 s, 66 s, and 76 s, respectively較差使芯片的工作可靠性降低。但在圖19中,熱功率信號(hào)發(fā)生正弦變化后,當(dāng)信號(hào)周期較小時(shí)如圖16所示,芯片中心Moi1處的溫度呈e4os正弦變化響應(yīng)溫度在達(dá)到穩(wěn)定振蕩前有一個(gè)明顯側(cè)408的由高溫向低溫的逐漸過(guò)渡階段。隨著熱功率正弦信號(hào)周期的增大如圖17所示響應(yīng)溫度在達(dá)到穩(wěn)定振蕩前的下降過(guò)程已經(jīng)很不明顯,這會(huì)在短時(shí)間內(nèi)使芯片溫度有一個(gè)突降。顯然,這容易誘發(fā)芯片V山中國(guó)煤化工一的偶然性損壞不利于確保芯片的壽命。CNMHG如圖18所示,隨著正弦信號(hào)周期Tm的增大,圖19積分平均溫度隨熱功率信號(hào)周期的變化芯片中心 Monitor處溫度振幅的增加卻越來(lái)越慢Fig. 19 Change of integration average temperature wi周期54s時(shí)與周期66s、76s時(shí)的溫度振幅分別僅thermal power signals'periods164郭春雨等熱功率信號(hào)下芯片溫度動(dòng)態(tài)響應(yīng)及熱特性分析010年熱功率信號(hào)周期的增加沒(méi)有引起積分平均溫度的大液體金屬散熱技術(shù)的提出與發(fā)展[].電子機(jī)械工程幅增加,所以,此時(shí)熱功率信號(hào)周期的增加對(duì)芯片在2006,22(6):9熱沖擊下的抗疲勞能力已沒(méi)有顯著的影響。[2]劉靜.熱學(xué)微系統(tǒng)技術(shù)[M]北京:科學(xué)出版社美國(guó)學(xué)者 Matthew Sweetland46對(duì)在瞬態(tài)條2008:131件下測(cè)試集成電路裝置的一種綜合空氣射流冷卻和[3]陶文銓,數(shù)值傳熱學(xué)[M第二版西安:西安交通大學(xué)出版社,2001:1-18.高功率激光加熱的溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試進(jìn)行了深[4] SWEETLAND M, LIENHARD J. Active thermal control人研究。其目的是確保高功率微處理器在產(chǎn)品測(cè)試of distributed parameter systems with application to tes-中準(zhǔn)確的性能等級(jí)分類(lèi),因此要對(duì)芯片級(jí)的溫度實(shí)ting of packaged IC devices ] ASME J Heat Transfer施主動(dòng)控制。但是,只有對(duì)熱測(cè)試中器件的溫度動(dòng)2003,125(1):164-174態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,才能更好地實(shí)施主動(dòng)[5] SWEETLAND M, LIENHARD J, SLOCUMAH. A溫控convection/radiation temperature control system forhigh power density electronic device testing []. J Elec4結(jié)論ackag,2008,130(3):1-10.[6] SWEETLAND M Design of thermal control systems本文對(duì)熱功率信號(hào)下芯片溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性for testing of electronics [D]. Cambridge Massachusetts Institute of Technology. 2001進(jìn)行了仿真研究,結(jié)論如下1)由芯片中心測(cè)溫點(diǎn)( Monitor1)的溫度對(duì)[7]魏順字,李志國(guó),程堯海,等.多芯片組件的三維溫場(chǎng)有限元模擬與分析[].微電子學(xué),2005,35(4):芯片發(fā)熱功率的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)可見(jiàn),芯片溫度對(duì)自身發(fā)熱功率的階躍響應(yīng)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。從芯片邊[8黃竹,蔣和全,鄙毅之開(kāi)關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)[.微電緣到芯片中心、芯片溫度階躍響應(yīng)曲線(xiàn)的放大系數(shù)子學(xué),2008,38(4):574-577和時(shí)間常數(shù)均逐漸增大,這是由于芯片邊緣與芯片[9]程迎軍,羅樂(lè),蔣玉齊等.多芯片組件散熱的三維有中心的散熱條件不同所致。限元分析[J,電子元件與材料,2004,23(5):43452)芯片溫度的方波和正弦響應(yīng)曲線(xiàn)表明,方波[0]王健石,朱東霞電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)速查手冊(cè)[ML北和正弦熱功率信號(hào)均存在一個(gè)臨界周期T。當(dāng)信京:電子工業(yè)出版社,2008號(hào)的周期Tm小于T時(shí),要降低對(duì)芯片造成的溫度沖擊應(yīng)盡量減小信號(hào)的周期;若T大于或等作者簡(jiǎn)介于T。時(shí),則熱功率信號(hào)對(duì)芯片造成的溫度沖擊已經(jīng)郭春雨(1983-一),男(漢族),內(nèi)蒙古包與信號(hào)周期無(wú)關(guān)頭人,碩士研究生,主要從事微電子器件和3)對(duì)于不同周期的方波和正弦信號(hào),根據(jù)溫度集成電路的可靠性熱設(shè)計(jì)與研究。響應(yīng)曲線(xiàn)求得的積分平均溫度的變化范圍在01℃崔國(guó)民(1969-),男(漢族),吉林雙遼以?xún)?nèi),此時(shí)熱功率信號(hào)周期的變化對(duì)芯片在熱沖擊人,博士,教授,博士生導(dǎo)師研究方向?yàn)楦呦碌目蛊谀芰σ褵o(wú)明顯影響。效換熱器與強(qiáng)化傳熱、電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)、能量系統(tǒng)綜合與優(yōu)化等。參考文獻(xiàn):[1劉靜,周一欣.芯片強(qiáng)化散熱研究新領(lǐng)域一低熔點(diǎn)中國(guó)煤化工CNMHG