芯片热设计注意事项

  当所设计的芯片需要满足经常不一致的规格要求时,先进的工艺和设计技术也会带来艰巨的挑战。在纳米级设计中,功耗已经成为限制性能的主要因素。纳米工艺中使用的材料和结构极易增加泄漏功率并降低热传导。
  所有这些效应的最终结果是裸片上的功率和温度变化会有显着的提高,以均匀芯片温度为前提的边界分析方法,已经无法保证成功的设计收敛。
  裸片上的温度变化会显着地影响芯片功耗、速度和可靠性。特别是泄漏功率与温度呈指数关系,如果不能正确地处理,将导致热失控。而象压降和时钟偏移等性能因素也特别容易受空间温度变化的影响,并导致性能下降。
  温度在器件性能劣化过程中也扮演着重要角色,这是由于偏置温度不稳定等现象引起的,这在模拟电路中更加明显。最终封装和相关冷却系统的冷却效率会由于裸模上的热点而降低。在许多情况下,片上热传感器需要正确放置于最高温度的区域。
  以下是一些具有热意识的设计技巧。由于充分考虑了裸片上的温度分布情况,因此可以提高目前设计工具和流程的精度。
  建议
  1.尽可能早地通过热分析检测和消除设计中的热点。应该早在底层规划阶段就了解物理版图和功耗状况,此时也是进行早期热规划的极好时机。
  2.在开发裸片的热图像时充分考虑封装和金属化效应。忽略这些结构、使用功率或功率密度图去估计温度,都会导致不准确的功率估计和其它对温度敏感的分析结果。
  3.在每次可能改变芯片功率分布的设计反复阶段中,认真检查热效应。在器件的一些重要工作模式下作的热分析通常足够用来提供热点和其它关注点的反馈信息。
  4.在对片上变化敏感的时钟树和关键网络设计中充分利用分散的温度信息。时序和信号完整性分析也将受益于准确的温度和压降信息。
  5.设计诸如片上热传感器这样的热管理系统,并使裸片具有良好的热图像。如果传感器放置位置不正确,那么它们可能捕捉不到裸片的最高温度,也就可能导致过于乐观的反馈结果。


  图:某项设计案例中水平面上的温度变化


  1.使用单电源值和封装的单QJA值计算裸片的最高温度。该温度值通常过于乐观,无法获知裸片上的热点效应。
  2.在没有考虑局部温度变化的情况下估计功率和电压下降。作为总功率主要组成部分的泄漏功率与温度呈指数相关,温度的少许变化也会造成泄漏功率很大的变化。这种功率变化还会使沿着电源线的电压压降呈显着变化。
  3.使用以单一均匀芯片温度为前提的边界分析工具检查芯片的时序性能。10℃以上的温度差异加上前面所述的压降变化将导致单元延时有显着的改变。另外,越来越明显的时延反转效应还可能使建立时间分析出现问题。
  4.在没有考虑金属互连沿线的温度变化情况就作可靠性分析。走线的平均故障时间与温度呈指数关系,可能导致过于乐观的设计,从而使产品在现场过早地出现故障。
  5.在没有检查裸片上热点的存在和数量情况下就设计芯片封装。热点会严重影响冷却材料的效率,从而导致器件上出现过高的工作温度。

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