有效的芯片封裝熱協(xié)同設計的這7大要素，你都知道嗎？

 芯片封裝協(xié)同設計之所以重要，有以下幾個原因。首先，在一個大外形、大功率芯片（例如片上系統(tǒng)(SoC)）設計中，如果不考慮散熱問題，則很可能在以后會出現(xiàn)問題，導致其無論從成本、尺寸、重量還是性能方面來看，均不能稱為理想的封裝解決方案。

 其次，雖然在以往的IC設計中都已考慮到芯片溫度要均勻，但是在許多情況下，這已不再是一個有效的假設了。電流泄漏導致的發(fā)熱（與溫度相關）使功率耗散不均勻，加上使用更薄的芯片（現(xiàn)在已小于50μm），更是降低了芯片自身的熱擴散能力。這兩種原因使得芯片上溫度變化更大。

 何時應該使用芯片封裝熱協(xié)同設計？

 設計三維疊層集成電路(3DIC)時，芯片封裝協(xié)同設計就顯得必不可少。由于芯片的電能和熱能之間存在相互作用，因而不能獨立地設計芯片。通過作為芯片間互連的硅過孔(TSV)（雖然它們的主要作用是減少熱點），有助于從芯片疊層中導出熱量，因此，它們在芯片上相對于大功率區(qū)域的布局，會較大程度地影響整體熱性能。熱傳遞是高度的三維現(xiàn)象，因此，封裝溫度的分布會影響芯片上的溫度分布。

 1、始終先從封裝開始

 為了獲得芯片內(nèi)正確溫度分布，很必要在熱模型中加入這樣一個封裝結(jié)構(gòu)—安裝在典型的PCB上且適宜使用具有代表性的散熱器解決方案，這樣就可使在預測的封裝溫度分布時考慮電路板上擴散的和進入散熱器的熱效應。要正確預測封裝與其環(huán)境相互作用的方式并因此預測封裝內(nèi)正確的溫度分布，需要此完整的計算流體動力學(CFD)仿真。

 需要注意的是，簡單地為芯片的每個表面施加一個恒定的熱阻值以表示熱流到環(huán)境的通道，不足以作為邊界條件。由于高熱導率材料與芯片的近距離熱接觸，使得到環(huán)境的高熱阻不捕獲任何局部熱擴散效應。這可能會保持芯片溫度均勻而不顯著貢獻環(huán)境的總熱阻。使用單一的熱阻值可能會導致過度且可能不正確的設計決定。

 在前期設計中及在詳細的IC設計開始前，優(yōu)化芯片封裝架構(gòu)有最大的活動范圍。在此階段，芯片的數(shù)目以及每個芯片預定的尺寸和功率均已明確。這可以用來創(chuàng)建可用于探究封裝設計空間的候選封裝的三維熱傳導模型（如果封裝樣式內(nèi)部有空腔，還可以包括對流和輻射）。此模型還提供允許將溫度數(shù)據(jù)反饋到IC設計流程的熱環(huán)境。

 2、在IC設計開始之前，探索封裝設計空間

 候選封裝的熱模型可用于研究不同的芯片布局、封裝尺寸和封裝材料（例如球柵陣列(BGA)封裝的基板中銅的量）對熱性能的影響。在這個階段，自由度較高，因此有機會探究不同的封裝選擇和每一個設計?；趯π酒叽缱畛醯墓烙嫞瑢τ诮o定封裝樣式，可調(diào)查下列設計參數(shù)以確定它們對芯片溫升和變化情況的影響：

 硅過孔的數(shù)目和可能的TSVLayout影響

 中介層的大小、形狀和材料選擇的影響

 界面電阻的效果（膠接層）

 金字塔結(jié)構(gòu)與懸空疊層結(jié)構(gòu)（如果引線鍵合)

 封裝內(nèi)部的散熱解決方案，如芯片邊緣散熱，內(nèi)部散熱片等

 外部散熱解決方案，例如焊盤、底部填充選項等的影響

 特點是對芯片溫升影響最大，變化情況說明需要進行更詳細地建模和優(yōu)化熱性能。

 3、包括與溫度相關的熱屬性

 對于硅和列入Flotherm材料庫中的材料，會自動包括在內(nèi)。整個芯片的溫度范圍可能會大到不能假設為單一的熱導率值，所以必須有隨溫度變化的熱導率才能精確地預測芯片熱點值。請注意，進行瞬態(tài)計算時，有必要加入材料密度和特定比熱容。在Flotherm中，當材料附加到對象時，會自動加入上述兩項。

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 4、完善芯片的表面處理

 加入芯片活性層（金屬和多晶硅）與約0。5至1。0μm厚的各向同性塊的三維表示。通常用作介電材料分隔芯片活性表面上的金屬引線的二氧化硅(SiO2)和硅酸鹽玻璃，具有1W/mK數(shù)量級的熱導率，比其分隔的金屬（傳統(tǒng)上為鋁或銅）大約低兩個數(shù)量級。不同層次的引線走不同的方向，所以材料表現(xiàn)為局部各向異性。但是，不同層次的高電平互連，加上不同方向上的金屬走線，會引起熱擴散。因此，對于主IC設計流程之外的前期設計活動，可將大部分行為近似看做各向同性材料，其帶有在封裝級別模型中一個網(wǎng)格單元厚度內(nèi)捕獲的所有活性表面層。IC工藝和設計技術文件中包含了有關金屬寬度、間距以及優(yōu)先布線方向的信息。這些信息可用于計算這個熱活性層總厚度和平均的各向同性材料屬性。

 5、在底層規(guī)劃之前，反饋溫度信息

 到這個階段，熱量應該在芯片中均勻地分布。但實際情況并非如此，還應進一步完善模型，以便從IC設計團隊獲得更詳細的信息后能夠立即消除這一假設。在開始時使用這一假設的好處在于，可給出芯片間溫度從封裝的有限能力上升到芯片整體保持均一溫度的變化情況。在IC設計流程開始之前為IC設計團隊提供有關芯片平均溫度和每個芯片溫度變化信息，會對底層規(guī)劃有很大的幫助作用，這對設計質(zhì)量很重要，因為在底層規(guī)劃期間做出的決定可能會緩解或加劇這種溫度變化。

 6、在底層規(guī)劃期間使用功率預算

 一旦開始進行底層規(guī)劃，您需要從IC設計團隊處拿到高層次的功率映射，導入到封裝的熱模型中。Flotherm擁有的DieSmartPart可以讀入CSV文件格式的功率，從而自動完成并迅速反饋結(jié)果，因為仿真模型往往只需要運行短短的幾分鐘，就可指明TSV在哪里引入可改善散熱性能或哪里需要設計變更。例如，對于確保兩個或更多個不同功能塊在非常相似的溫度下運行以消除定時問題，它可能會非常重要。

 對于邏輯搭載邏輯的3DIC，這應該在不同芯片之間隔開設計時，和在芯片間和芯片內(nèi)底層規(guī)劃期間（要求每個芯片的功率映射）加以考慮。在此階段，有機會在保持功能塊相對位置不變的情況下，將其沿x和y方向（xy擴展）移動，只是調(diào)整它們之間的間距（空白空間）使得能夠插入TSV以檢查它們對芯片熱點的影響。在知道與芯片厚度成比例關系的TSV尺寸和間距后，具有更高的貫通面熱導率的塊可以疊加到Flotherm中的這些空白區(qū)域的芯片厚度上，以局部覆蓋硅的屬性。在前期的底層規(guī)劃中，系統(tǒng)能對過高或過低進行調(diào)查，以告知IC設計團隊可使用TSV控制熱點到何種程度，從而限定問題。在底層規(guī)劃期間，作為IC設計流程的一部分，需要完成對功能塊和TSVLayout的優(yōu)化。

 7、使IC設計流程感知溫度

 隨著底層規(guī)劃的推進，在進一步細化設計時，熱設計工作需要把重點放在芯片之間的熱相互作用的細節(jié)上。芯片的功率映射變得更加詳細，并且在3DIC的情況下，作為電氣設計的一部分，需要定義TSV的數(shù)量和位置。

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