微電子學與計算機2002年第10期矩形集成電路半解析熱分析軟件——Bⅹ熱分析軟件的研制BJX Practical Program Using Semi- Analytical Methodfor Thermal Analysis of Rectangular Integrated Circuit Device史彭1陳雅妮2王占民1甘安生1李東亮(1西安建筑科技大學西安710055)(2西安微電子技術研究所西安710054)摘要:半解析熱分析法具有解析法的高精度又具有數值法的較寬適用范圍。編制岀的計算軟件具有分析時間短、操作簡便、成本低廉等優(yōu)點冋可能成為下一代集成電路實際使用的熱分析軟件。關鍵詞:半解析集成電路軟件熱分析1引言外掃描等技術對樣片溫度場進行實測。其優(yōu)點是實在各種集成電路的研制開發(fā)中,必須進行熱設測結果準確,其主要缺點是:熱分析周期長,需要反計工作,否則會降低器件的性能。隨著集成度的大復生產樣片→實測→根據實測結果重新設計樣片幅度提高,熱功率密度越來越大,熱設計工作的準生產樣片→…直到產品合格。確性要求越來越高。保證熱設計工作準確性的關鍵是準確的熱分析,即在給定集成電路熱模型和邊界3半解析的熱分析計算方法條件后,準確得出溫度場(熱模型中各點的溫度數半解析熱分析法是近幾年國際上發(fā)展出的值)分析熱源分布是否合理,給岀熱源合理分布的種新熱分析方法-3。半解析法是利用效理方法中建議。的技術(如鏡像法、保角變換等)將對稱性差的模型轉換成對稱性髙的模型求解熱模型溫度場,或將對2熱分析方法稱性差的模型分為幾個對稱性高的小模型求解熱熱分析方法主要有以下幾種模型溫度場。得岀的一般是具有無解析解的積分(1)熱阻法湜是將熱模型中眢個熱學材料粗略式,再利用計算機計算岀溫度場各點的溫度數值。轉換成熱阻”″,按熱阻的串并聯計算岀熱模型的溫該方法具有解析法的高精度,又具有數值法的較寬度場。其優(yōu)點是計算簡單,其主要缺點是計算誤差適用范圍。編制出的計算軟件具有分析時間短、操很大只能粗略估計溫度。作簡便、成本低廉等優(yōu)點。(2)解析法湜是利用數理方法等技術解出熱模從國際上公開發(fā)表的資料上看,集成電路半解型溫度場的函數表達式,可利用得出的函數表達式析熱分析方法僅處于初步階段,已有成果局限于簡計算岀熱模型中各點的溫度。其優(yōu)點是不會引入計單熱模型,如已完成了矩形上下同形單層、兩層、三算誤差,其缺點是要求熱模型具有髙度對稱性,如層熱模型旳半解析熱分析的基本計箅方法,未見到均勻球、均勻無限大空間、均勻無限長圓柱體等。由其它復雜熱模型的研究成果。由于集成電路實際熱于集成電路實際熱模型很復雜,不具備髙度對稱模型比較復雜,如矩形集成電路的熱模型已達到9、性測在集成電路實際熱分析中很難使用該方法。11層,還有上下同形、上下不同形的矩形和圓形集(3)數值法湜是目前實際熱分析中常用方法數成電路的熱模型,以及其它形狀熱模型,由于集成值法是利用有限差分法、有限元法、邊界元法等技電路熱模型的復雜性使得半解析熱方法至今無法術計算熱模型溫度場的方法。其優(yōu)點是對熱模型沒實用到集成電路的熱分析中。有過多的限制其主要缺點是作者在文獻[3~5]中,利用”鏡像法”、遞推①各種具體的計算方法都存在程度不同的計法、”保角變換”等技術,研究了上表面含有熱源的算誤差任意層上下同形模型矩形半解析的熱分析計算方②由于疊代次數很多將可能引入一定的計算法和上表面含有熱源的任意層上下同形圓形模型誤差;半解析的熱分析計算方法③每一種模型、每一種邊界條件都需要重新處理則分析時間長對操作者的技術要求高。4矩形集成電中國煤化工勾成(4)實測法是生產出集成電路樣片后利用紅我們用所HCNMHG言編制了計收稿日期:2002-02-0算軟件,軟件主要有:封面、使用說明、參數選擇菜2002年第10期微電子學與計算機單、熱源分布確定菜單、溫度場示意圖、設計條件數(2)計算快捷、形象。幾分鐘就可以計算一個熱據輸岀文件、溫度場計算值數據輸岀文件等組成。模型。設計者可以一邊計算,邊修改設計方案直1)封面。包括軟件名稱、作者等。到滿足熱設計要求(2)使用說明。(3)操作簡單界面友好。(3)參數選擇菜單。包括熱模型的長度、寬度、厚度,熱模型各層的厚度和熱傳導系數,底座(可6計算實例伐)與空氣的熱交換系數熱源個數。軟件給各個參我們對HB076大功率H橋開關混合電路進行數設定了預定值,用↑"↓"鍵移動紅色光標選實例計算,電路的熱模型為三層(基片、粘滯層、底擇參數項。選定參數項后用一→"←"鍵增減參數層)上表面有五個熱源如圖1所示。各層厚度分別項數值?？梢杂肅rl艸←″鍵增加參數項數值變化為0.64、0.10、1.50mm,各層熱傳導系數分別為步長10倍用Ctrl+→鍵恢復參數項數值變化原0.017、0.0016、0.019W/mm·K,底層和空氣的熱步長。選定所有參數后按End鍵結束該菜單軟件交換系數為0.0030W/mm3·K。提示以上輸入數據是否正確″,按y"鍵進入下級菜單,按其它任意鍵返回本菜單,修改參數項數1.2W值。軟件根據所輸λ參數項數值繪岀熱模型的側視圖和俯視圖回圓(4)熱源分布確定菜單。軟件根據上一菜單中Y 45mm所輸入熱源個數,逐次確定各個熱源的位置和熱功圖1熱模型俯視圖率。菜單包括熱源序號、左上角坐標、右上角坐標圖2為溫度場計算值三維圖。圖3為溫度場等左下角坐標、右下角坐標、熱功率值。用溫線圖,圖中溫度值是在環(huán)境溫度基礎上升高的溫鍵選擇參數項。用鍵增減參數項數值。在度值單位為℃。熱模型的俯視圖中熱源圖作相應變化,便于設計人T(℃)員清楚地看到熱源在熱模型上的實際位置。也可以用上述方法改變參數項數值步長10倍。軟件有防止熱源重疊、超限等功能。按End鍵結束該菜單軟件也加有提示同上。(5)溫度場示意圖。在計算溫度場數值的同時9.5在熱模型的俯視圖上用不同顏色的小色塊繪制出18.5溫度場示意圖,溫度場示意圖下方有色塊——溫度對照圖沒計人員可以清楚地看到溫度場的輪廓。20(6)計算結果輸出。軟件詢問是否需要打印、存圖2溫度場計算值三維圖盤。聯好打印機即可將設計條件數據和溫度場計算用紅外掃描儀對該電路進行了溫度場實測,兩值數據打印。輸入文件名即可將這兩個文件存盤者輪廓一致,有2℃左右的誤差經分析是輸入的各設計條件數據文件以.DTJ結尾,包括設計者所輸個熱參量誤差所至入的所有數據和計算機內的日期。溫度場計算值數據以.DAT結尾,計算值數據按 Graftools軟件所要302a10求的格式存放以便用 Graftools軟件處理:(7) Graftools軟件處理。利用 Graftools軟件可以繪制出溫度場的三維曲線圖、等溫線圖等15.t軟件的特點我們研制的計算軟件具有以下特點中國煤化工(1)計算結果精度高。軟件計算所依據的半解C MH G Y(mm)02530354045析方法避免了數值法中所帶來的計算誤差。圖3溫度場等溫線圖微電子學與計算機2002年第10期用半解析熱分析方法編制岀的計算軟件具有 SHI Peng,WANG加han-min,GAA- sheng, LI Dong- liang分析時間短、操作簡便、成本低廉等優(yōu)點,可能成為 an University of Architecture& Technology,xran71005下一代集成電路實際使用的熱分析軟件CHEN Ya-ni(Xi'an Microelectronics Technology Institute, Xi'aI710054)參考文獻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.多層微組裝件半解析熱分析方法的研究[J].電子學報,1997(8):88~89史彭男A6歲教授41史彭,陳雅妮、王占民,多層圓形組件半解析熱分析方陳雅妮女A2歲高級工程師。的研究[J].電子學報,2001,29(8):1121-11225]史彭.混合電路表面溫度分布的一種新計算方法[J西安建筑科技大學學報,1997,29(1):92~95(上接第37頁)常用設計方法是一致的,也是周期精確方法的一大比如 Cmd Word進程的 outReady信號置1′將優(yōu)勢所在會導致 tempOut被賦予和當前內部地址相關的一個新值,同時也會導致 out DataOK被置1′,從而啟動5結論Out Bit循環(huán)。之所以不直接以 out ready代替out-采用周期精確方法實現了一個具備高度可擴DataOK,是因為器件特性不同,二者不一定能夠直展性的rC接口。接互替。比如如果是一個PC和其它總線的轉換轉換器,雖然接口給出了 ourReady信號,但數據的傳參考文獻送還需要另外一種總線配合,而該總線一側不一定[1 ATMEL Inc.2- wire Serial EEPROM Databook.能馬上準備好,因而不一定能立即置位out-2 I Thomas D and P Moorby. The Verilog Hardware DescriptionDataOK。其它內部信號也有類似邏輯約束,書寫代language. Kluwer Academic, MA, 1999碼時必須考慮到相應因素實際上其它邏輯塊可能是采用傳統(tǒng)技術的al-FANG Cheng-zhi, LI Yuan, TAN Yi-yu(EE Dept, Nanjing University, Nanjing 210093)ways塊或者門基元,也完全可以是采用周期精確方法來描述的 always塊,關鍵是,必須按照功能要求Abstract: This paper studies the principles of the programmin設計輸入輸出間的時序關系,處理好不同 always塊 method based on the cycle accurate propertyHDI之間的信息傳遞機制”。which is used to describe digital systems. As an application of此外,由源代碼可見,周期精確方法實現的邏 this method,anI2 C interface for eeprom is realized, which car輯,可以和系統(tǒng)的其它部分分開設計,只需要注意 be adapted to work with other devices with slight modifica幾個內部控制信號的相互耦合關系即可,因而,可 Key words: Cycle accurate, Verilog HDL,,rC, EEPROM以將本文幾個進程的源代碼復用在不同器件的IC中國煤化工接口設計中。事實上,這種設計方法和SOC系統(tǒng)的CNMHG