本文由半導(dǎo)體行業(yè)觀察編譯自semiengineering。
將芯片嵌入堆疊芯片組件會產(chǎn)生散熱問題，從而降低這些設(shè)備的可靠性和使用壽命，隨著芯片制造商開始將芯片塞入帶有更薄基板的先進封裝中，這個問題變得越來越嚴重。
過去，幾乎所有這些復(fù)雜的設(shè)計都用于嚴格控制的環(huán)境，例如大型數(shù)據(jù)中心，通過將部分計算轉(zhuǎn)移到不同的服務(wù)器刀片或機架，可以快速解決過熱問題。但這些堆疊的芯片組件現(xiàn)在正進入安全至關(guān)重要的應(yīng)用，例如汽車傳感器和心臟起搏器，這些應(yīng)用中可用的選擇較少。從根本上講，可靠性受熱循環(huán)的影響，因此每次打開芯片時，它都會加熱、冷卻、膨脹和收縮，但當芯片被緊密封閉時，冷卻時間可能會顯著延長。
英飛凌科技公司物聯(lián)網(wǎng)、計算和工業(yè)MCU高級總監(jiān)Ketan Dewan表示：“熱管理絕對必要。如果管理不當，可能會導(dǎo)致性能損失、運行不可靠、設(shè)備故障和系統(tǒng)成本增加。”
更糟糕的是，許多此類設(shè)備都涉及不同的材料。“你要處理的是差異膨脹，”Ansys產(chǎn)品營銷總監(jiān)Marc Swinnen指出。“如果你拿一塊金屬，加熱一端而不加熱另一端，你的芯片就會彎曲和變形。”
翹曲會破壞各種計算元件和基板之間的連接，迫使信號重新路由并降低性能。與熱相關(guān)的應(yīng)力還可能造成熱失控，連接變得非常熱，導(dǎo)致凸塊熔化或改變電路行為。后一種影響可能導(dǎo)致參數(shù)漂移，在這種情況下，芯片最初可能按預(yù)期工作，但最終不再符合其最初定義的參數(shù)。因此，設(shè)備在發(fā)布時可能看起來沒有問題，但幾個月后就會出現(xiàn)異?；驈氐资А?/p>
分立器件更加隔離，但它們也不能免受熱問題的影響。“它們可能會產(chǎn)生熱量，但由于芯片位于基板上，所以熱量有地方可以散發(fā)，所以散熱會容易一些，”西門子EDA的Calibre nmDRC應(yīng)用產(chǎn)品管理總監(jiān)John Ferguson表示。“當你堆疊東西時，事情會變得更加困難。并排放置還不算太糟，但你可以跨邊界進行交互。”
物理問題可能會變得更加復(fù)雜，這取決于布局和與其他電路的接近程度。
例如，汽車傳感器可能受到熱量和振動的影響，具體取決于它們的位置，這意味著熱應(yīng)力和機械應(yīng)力都會成為問題。
“當你談?wù)撉度胧较到y(tǒng)時，不僅僅是元件本身產(chǎn)生的熱量，還有鄰近元件產(chǎn)生的熱量，”Swinnen說。“它嵌入在某個東西中，然后它旁邊的東西也會產(chǎn)生熱量，所以你的芯片會突然產(chǎn)生一股熱量，這與你正在做的事情無關(guān)。是隔壁的芯片變熱了，但你的溫度上升了，看起來好像是你的芯片在發(fā)熱。”
封裝層面的異質(zhì)性增加了設(shè)計方面的復(fù)雜性。“從歷史上看，熱分析的方式是，封裝中的芯片不僅被視為均勻的材料，而且被視為均勻的溫度，”Ferguson說。“但這種觀點未能涵蓋相互作用的全部復(fù)雜性。芯片是熱量產(chǎn)生的源頭，但它們也可能是熱量的受害者。如果你在封裝層面考慮這個問題，那么抓住這一點很重要。”
然而，即使設(shè)計師意識到了這些問題，在嵌入式設(shè)備中緩解這些問題也并不容易。Cadence產(chǎn)品管理總監(jiān)Melika Roshandell表示：“例如，對于手機而言，熱分析非常重要，因為你不能在手機中放置散熱器。此外，手機沒有風(fēng)扇，當你把它放在耳邊時，你肯定不希望它燙傷你的臉。如果沒有熱緩解措施，它就會變得那么熱。手機設(shè)計師必須考慮如何讓芯片達到最大頻率，同時又要符合人體工程學(xué)，不會燙傷皮膚。他們必須進行大量的傳導(dǎo)和輻射分析來確定閾值。由于空間有限，他們面臨著更多挑戰(zhàn)，必須在解決散熱問題上更具創(chuàng)新性。”
即使可以使用風(fēng)扇等傳統(tǒng)冷卻解決方案，也可能不是理想選擇。“風(fēng)扇會造成電氣干擾，但這只是一個次要問題，”Flex Logix首席執(zhí)行官Geoff Tate表示。“風(fēng)扇最大的問題除了體積大、噪音大之外，就是容易損壞。如果風(fēng)扇壞了，冷卻系統(tǒng)就會崩潰。所以現(xiàn)在問題大了。當你添加更多晶體管，晶體管運行速度更快時（這是每個人都希望的），就會消耗更多電量。但封裝只能耗散一定量的電量。即使你將這個封裝放在冷空氣中，到某個時候它也無法散發(fā)足夠的熱量。所以你需要安裝一個散熱器，散熱器會覆蓋整個大散熱片。它們可以散發(fā)更多的熱量。然后你可以將它用螺栓固定在金屬盒的側(cè)面，金屬盒也變成了散熱器，你可以將它放在室外環(huán)境中。”
但問題不止于此。事實上，根據(jù)環(huán)境的不同，情況可能會變得更糟。“客戶可能會說，‘它必須能在室外使用，我們在鳳凰城，那里的溫度是125°F，’”泰特說。“或者它必須在加拿大埃德蒙頓-40°F的環(huán)境下工作。你必須能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，所以你必須設(shè)計你的芯片，弄清楚它的所有部件，對封裝和冷卻進行熱分析，并了解客戶將如何使用它。然后，你必須反向思考，了解你可以在芯片中放什么，以及你可以讓它運行多快，因為如果你讓芯片太強大，它會消耗太多的電量，而你無法消散它。然后它會超過結(jié)溫，你必須保持在結(jié)溫范圍內(nèi)，因為如果結(jié)溫太高，可靠性就會降低。有些客戶會說，‘我不希望結(jié)溫升到這個水平，但我希望它能更高一些。’這很快就會變得非常復(fù)雜。”
即使在鳳凰城這樣的條件下，設(shè)備也可以放置在受控環(huán)境中，例如監(jiān)控空調(diào)商店的攝像頭。但設(shè)計師還必須考慮客戶是否會始終遵守這些規(guī)范，以及要留出多少余地。畢竟，即使是最好的HVAC系統(tǒng)也有可能出現(xiàn)故障，或者原本應(yīng)該放在陰影角落的傳感器可能會被移到靠近大窗戶的地方，從而受到陽光直射的加熱。
環(huán)境考慮
此類環(huán)境不確定性，加上許多嵌入式設(shè)備使用的關(guān)鍵情況，可能導(dǎo)致保守的設(shè)計和封裝選擇。這包括在較舊的工藝節(jié)點上開發(fā)芯片/小芯片，以獲得經(jīng)過驗證的可靠性，以及挑戰(zhàn)性較低的組裝選項。這些選擇也可能受到責(zé)任問題以及工程問題的影響。“我看到合同中有更多的法律術(shù)語，”弗格森觀察到。
對于嵌入式設(shè)備，工程問題通常與人類安全問題重疊。“如果你有一個醫(yī)療器械，你把它放入人體，它會發(fā)熱，這會對人體造成什么影響？”弗格森問道。“或者更糟的是，如果人體承受壓力，從而產(chǎn)生熱量，這會影響包裝嗎？你需要更加保守和謹慎，考慮到如何處理這些東西。”
想想熱管理不佳的起搏器會發(fā)生什么。“起搏器的使用壽命應(yīng)該超過10年，”英飛凌的Dewan說。“但如果嵌入式設(shè)備沒有進行熱管理，嵌入式設(shè)備的漏電和功耗可能在不到10年的時間內(nèi)就需要更換電池。”
即使在體外，也需要極其謹慎。汽車行業(yè)已經(jīng)制定了ISO 26262，這是一項由12部分組成的安全標準，規(guī)定了汽車電子產(chǎn)品的最佳實踐。遵守ISO 26262的要求為克服熱問題提供了更令人信服的理由，此外還有一個簡單的經(jīng)濟事實：設(shè)備越熱，在采用冷卻解決方案上需要花費的錢就越多。
解決方案
有幾種方法可以緩解先進封裝中的熱問題。從EDA的角度來看，首選方法是在設(shè)計周期的早期解決這些問題，使用實際工作負載進行廣泛的模擬和原型設(shè)計。這越來越多地涉及使用數(shù)字孿生。
“首先要考慮芯片的放置位置，”西門子的Ferguson說道。“你能否更好地選擇放置位置，以免過多的熱量集中在一個區(qū)域？下一階段將著眼于芯片本身。有什么辦法可以散熱？如果你無法移動任何東西，如何散熱？”
對于嵌入式設(shè)備，還有額外的考慮因素。“解決方案必須再修改一下，”Ferguson說。“你可以在封裝中采用各種形式的冷卻，比如散熱器。你可以在頂部放置TIM（熱界面材料）來幫助冷卻。如果你將一個芯片放在另一個芯片之上，那么底部芯片可能會加熱頂部芯片?，F(xiàn)在頂部芯片沒有太多空間來散熱，所以你可以放入銅柱作為一種煙囪。”
從多物理角度來看，與所有其他電子模擬相比，熱模擬的最大區(qū)別在于需要有限元網(wǎng)格。“這是一個體積網(wǎng)格，而不是表面網(wǎng)格，因為熱量在表面的三個方向上流動，”Ansys的Swinnen說。“利用設(shè)備的體積網(wǎng)格，您可以模擬功率如何擴散，以及環(huán)境溫度如何侵入您的系統(tǒng)并擴散到整個系統(tǒng)。”
結(jié)論
散熱問題是設(shè)計中一個長期存在且日益嚴重的問題。“對于某些設(shè)備來說，散熱問題一直存在，但這不是芯片設(shè)計師需要處理的問題，因為封裝設(shè)計師會在最后階段處理它，”Swinnen指出。“你對可以使用的功率有一個概念，如果結(jié)果顯示功率稍高，沒有人會因為功率過高而放棄芯片。功率曾被視為軟性指標，但現(xiàn)在它已成為頭號問題。散熱與功率直接相關(guān)，但兩者是兩碼事。功率使用就是金錢，但功率會導(dǎo)致散熱，因為功率最終會以熱量的形式散發(fā)出去。嵌入式設(shè)備，無論你如何定義它們，都是在某個東西的內(nèi)部，這意味著它們更難冷卻。你要增加功率密度，即你每立方體積使用的功率。然后你需要以某種方式將所有熱量散發(fā)出去，因此冷卻變得更具挑戰(zhàn)性。3D-IC的尖端芯片設(shè)計正在考慮液體冷卻和全浸沒等想法，但（在嵌入式設(shè)備中）只有有限的幾個問題可以通過這種方式解決。”
最終，解決困擾嵌入式和分立設(shè)備的散熱問題可能需要新材料（如玻璃基板）和對現(xiàn)有組件的新思維。“從歷史上看，我們根深蒂固地認為我們需要盡可能快的互連，”Ferguson說，“但我們是否可以選擇對熱敏感度較低的互連——可能是一種像TSV這樣的寬垂直連接？我們需要弄清楚的部分是權(quán)衡。你可能會占用大量可用于其他用途的區(qū)域。最好的選擇是什么？例如，你可能希望讓你的連接非常薄，但這意味著更高的電阻率，這可能會產(chǎn)生更多的熱量。你必須弄清楚伴隨好處而來的所有副作用。”
參考鏈接
https://semiengineering.com/thermal-challenges-multiply-in-automotive-embedded-devices/
