產(chǎn)生高質(zhì)量芯片：熱設計注意事項須知

　　所有這些效應的最終結果是裸片上的功率和溫度變化會(huì )有顯著(zhù)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)法保證成功的設計收斂。

　　裸片上的溫度變化會(huì )顯著(zhù)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關(guān)系，如果不能正確地處理，將導致熱失控。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，并導致性能下降。

　　溫度在器件性能劣化過(guò)程中也扮演著(zhù)重要角色，這是由于偏置溫度不穩定等現象引起的，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域。

　　以下是一些具有熱意識的設計技巧。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計工具和流程的精度。

　　建議

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

　　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。忽略這些結構、使用功率或功率密度圖去估計溫度，都會(huì )導致不準確的功率估計和其它對溫度敏感的分析結果。

　　3.在每次可能改變芯片功率分布的設計反復階段中，認真檢查熱效應。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.在對片上變化敏感的時(shí)鐘樹(shù)和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )設計中充分利用分散的溫度信息。時(shí)序和信號完整性分析也將受益于準確的溫度和壓降信息。

　　5.設計諸如片上熱傳感器這樣的熱管理系統，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，也就可能導致過(guò)于樂(lè )觀(guān)的反饋結果。

　　圖：某項設計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值計算裸片的最高溫度。該溫度值通常過(guò)于樂(lè )觀(guān)，無(wú)法獲知裸片上的熱點(diǎn)效應。

　　2.在沒(méi)有考慮局部溫度變化的情況下估計功率和電壓下降。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(zhù)電源線(xiàn)的電壓壓降呈顯著(zhù)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致單元延時(shí)有顯著(zhù)的改變。另外，越來(lái)越明顯的時(shí)延反轉效應還可能使建立時(shí)間分析出現問(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)間與溫度呈指數關(guān)系，可能導致過(guò)于樂(lè )觀(guān)的設計，從而使產(chǎn)品在現場(chǎng)過(guò)早地出現故障。

　　5.在沒(méi)有檢查裸片上熱點(diǎn)的存在和數量情況下就設計芯片封裝。熱點(diǎn)會(huì )嚴重影響冷卻材料的效率，從而導致器件上出現過(guò)高的工作溫度。