矩形集成电路半解析热分析软件--BJX热分析软件的研制

微电子学与计算机2002年第10期矩形集成电路半解析热分析软件——Bⅹ热分析软件的研制BJX Practical Program Using Semi- Analytical Methodfor Thermal Analysis of Rectangular Integrated Circuit Device史彭1陈雅妮2王占民1甘安生1李东亮(1西安建筑科技大学西安710055)(2西安微电子技术研究所西安710054)摘要:半解析热分析法具有解析法的高精度又具有数值法的较宽适用范围。编制岀的计算软件具有分析时间短、操作简便、成本低廉等优点冋可能成为下一代集成电路实际使用的热分析软件。关键词:半解析集成电路软件热分析1引言外扫描等技术对样片温度场进行实测。其优点是实在各种集成电路的研制开发中,必须进行热设测结果准确,其主要缺点是:热分析周期长,需要反计工作,否则会降低器件的性能。随着集成度的大复生产样片→实测→根据实测结果重新设计样片幅度提高,热功率密度越来越大,热设计工作的准生产样片→…直到产品合格。确性要求越来越高。保证热设计工作准确性的关键是准确的热分析,即在给定集成电路热模型和边界3半解析的热分析计算方法条件后,准确得出温度场(热模型中各点的温度数半解析热分析法是近几年国际上发展出的值)分析热源分布是否合理,给岀热源合理分布的种新热分析方法-3。半解析法是利用效理方法中建议。的技术(如镜像法、保角变换等)将对称性差的模型转换成对称性髙的模型求解热模型温度场,或将对2热分析方法称性差的模型分为几个对称性高的小模型求解热热分析方法主要有以下几种模型温度场。得岀的一般是具有无解析解的积分(1)热阻法湜是将热模型中眢个热学材料粗略式,再利用计算机计算岀温度场各点的温度数值。转换成热阻”″,按热阻的串并联计算岀热模型的温该方法具有解析法的高精度,又具有数值法的较宽度场。其优点是计算简单,其主要缺点是计算误差适用范围。编制出的计算软件具有分析时间短、操很大只能粗略估计温度。作简便、成本低廉等优点。(2)解析法湜是利用数理方法等技术解出热模从国际上公开发表的资料上看,集成电路半解型温度场的函数表达式,可利用得出的函数表达式析热分析方法仅处于初步阶段,已有成果局限于简计算岀热模型中各点的温度。其优点是不会引入计单热模型,如已完成了矩形上下同形单层、两层、三算误差,其缺点是要求热模型具有髙度对称性,如层热模型旳半解析热分析的基本计箅方法,未见到均匀球、均匀无限大空间、均匀无限长圆柱体等。由其它复杂热模型的研究成果。由于集成电路实际热于集成电路实际热模型很复杂,不具备髙度对称模型比较复杂,如矩形集成电路的热模型已达到9、性测在集成电路实际热分析中很难使用该方法。11层,还有上下同形、上下不同形的矩形和圆形集(3)数值法湜是目前实际热分析中常用方法数成电路的热模型,以及其它形状热模型,由于集成值法是利用有限差分法、有限元法、边界元法等技电路热模型的复杂性使得半解析热方法至今无法术计算热模型温度场的方法。其优点是对热模型没实用到集成电路的热分析中。有过多的限制其主要缺点是作者在文献[3~5]中,利用”镜像法”、递推①各种具体的计算方法都存在程度不同的计法、”保角变换”等技术,研究了上表面含有热源的算误差任意层上下同形模型矩形半解析的热分析计算方②由于叠代次数很多将可能引入一定的计算法和上表面含有热源的任意层上下同形圆形模型误差;半解析的热分析计算方法③每一种模型、每一种边界条件都需要重新处理则分析时间长对操作者的技术要求高。4矩形集成电中国煤化工勾成(4)实测法是生产出集成电路样片后利用红我们用所HCNMHG言编制了计收稿日期:2002-02-0算软件,软件主要有:封面、使用说明、参数选择菜2002年第10期微电子学与计算机单、热源分布确定菜单、温度场示意图、设计条件数(2)计算快捷、形象。几分钟就可以计算一个热据输岀文件、温度场计算值数据输岀文件等组成。模型。设计者可以一边计算,边修改设计方案直1)封面。包括软件名称、作者等。到满足热设计要求(2)使用说明。(3)操作简单界面友好。(3)参数选择菜单。包括热模型的长度、宽度、厚度,热模型各层的厚度和热传导系数,底座(可6计算实例伐)与空气的热交换系数热源个数。软件给各个参我们对HB076大功率H桥开关混合电路进行数设定了预定值,用↑"↓"键移动红色光标选实例计算,电路的热模型为三层(基片、粘滞层、底择参数项。选定参数项后用一→"←"键增减参数层)上表面有五个热源如图1所示。各层厚度分别项数值。可以用Crl艹←″键增加参数项数值变化为0.64、0.10、1.50mm,各层热传导系数分别为步长10倍用Ctrl+→键恢复参数项数值变化原0.017、0.0016、0.019W/mm·K,底层和空气的热步长。选定所有参数后按End键结束该菜单软件交换系数为0.0030W/mm3·K。提示以上输入数据是否正确″,按y"键进入下级菜单,按其它任意键返回本菜单,修改参数项数1.2W值。软件根据所输λ参数项数值绘岀热模型的侧视图和俯视图回圆(4)热源分布确定菜单。软件根据上一菜单中Y 45mm所输入热源个数,逐次确定各个热源的位置和热功图1热模型俯视图率。菜单包括热源序号、左上角坐标、右上角坐标图2为温度场计算值三维图。图3为温度场等左下角坐标、右下角坐标、热功率值。用温线图,图中温度值是在环境温度基础上升高的温键选择参数项。用键增减参数项数值。在度值单位为℃。热模型的俯视图中热源图作相应变化,便于设计人T(℃)员清楚地看到热源在热模型上的实际位置。也可以用上述方法改变参数项数值步长10倍。软件有防止热源重叠、超限等功能。按End键结束该菜单软件也加有提示同上。(5)温度场示意图。在计算温度场数值的同时9.5在热模型的俯视图上用不同颜色的小色块绘制出18.5温度场示意图,温度场示意图下方有色块——温度对照图没计人员可以清楚地看到温度场的轮廓。20(6)计算结果输出。软件询问是否需要打印、存图2温度场计算值三维图盘。联好打印机即可将设计条件数据和温度场计算用红外扫描仪对该电路进行了温度场实测,两值数据打印。输入文件名即可将这两个文件存盘者轮廓一致,有2℃左右的误差经分析是输入的各设计条件数据文件以.DTJ结尾,包括设计者所输个热参量误差所至入的所有数据和计算机内的日期。温度场计算值数据以.DAT结尾,计算值数据按 Graftools软件所要302a10求的格式存放以便用 Graftools软件处理:(7) Graftools软件处理。利用 Graftools软件可以绘制出温度场的三维曲线图、等温线图等15.t软件的特点我们研制的计算软件具有以下特点中国煤化工(1)计算结果精度高。软件计算所依据的半解C MH G Y(mm)02530354045析方法避免了数值法中所带来的计算误差。图3温度场等温线图微电子学与计算机2002年第10期用半解析热分析方法编制岀的计算软件具有 SHI Peng,WANG加han-min,GAA- sheng, LI Dong- liang分析时间短、操作简便、成本低廉等优点,可能成为 an University of Architecture& Technology,xran71005下一代集成电路实际使用的热分析软件CHEN Ya-ni(Xi'an Microelectronics Technology Institute, Xi'aI710054)参考文献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.多层微组装件半解析热分析方法的研究[J].电子学报,1997(8):88~89史彭男A6岁教授41史彭,陈雅妮、王占民,多层圆形组件半解析热分析方陈雅妮女A2岁高级工程师。的研究[J].电子学报,2001,29(8):1121-11225]史彭.混合电路表面温度分布的一种新计算方法[J西安建筑科技大学学报,1997,29(1):92~95(上接第37页)常用设计方法是一致的,也是周期精确方法的一大比如 Cmd Word进程的 outReady信号置1′将优势所在会导致 tempOut被赋予和当前内部地址相关的一个新值,同时也会导致 out DataOK被置1′,从而启动5结论Out Bit循环。之所以不直接以 out ready代替out-采用周期精确方法实现了一个具备高度可扩DataOK,是因为器件特性不同,二者不一定能够直展性的rC接口。接互替。比如如果是一个PC和其它总线的转换转换器,虽然接口给出了 ourReady信号,但数据的传参考文献送还需要另外一种总线配合,而该总线一侧不一定[1 ATMEL Inc.2- wire Serial EEPROM Databook.能马上准备好,因而不一定能立即置位out-2 I Thomas D and P Moorby. The Verilog Hardware DescriptionDataOK。其它内部信号也有类似逻辑约束,书写代language. Kluwer Academic, MA, 1999码时必须考虑到相应因素实际上其它逻辑块可能是采用传统技术的al-FANG Cheng-zhi, LI Yuan, TAN Yi-yu(EE Dept, Nanjing University, Nanjing 210093)ways块或者门基元,也完全可以是采用周期精确方法来描述的 always块,关键是,必须按照功能要求Abstract: This paper studies the principles of the programmin设计输入输出间的时序关系,处理好不同 always块 method based on the cycle accurate propertyHDI之间的信息传递机制”。which is used to describe digital systems. As an application of此外,由源代码可见,周期精确方法实现的逻 this method,anI2 C interface for eeprom is realized, which car辑,可以和系统的其它部分分开设计,只需要注意 be adapted to work with other devices with slight modifica几个内部控制信号的相互耦合关系即可,因而,可 Key words: Cycle accurate, Verilog HDL,,rC, EEPROM以将本文几个进程的源代码复用在不同器件的IC中国煤化工接口设计中。事实上,这种设计方法和SOC系统的CNMHG