发动机舱内有乾坤

作者:Jehoda Refaeli,美国奥斯汀NXP Semiconductors

新一代汽车的电子设备必须在发动机舱的高温环境中工作,同时还要确保性能与可靠性。随着设备的功耗增加并且尺寸不断缩小,热设计的重要性日益凸显,而传统的热设计方法假设整个集成电路(IC)处于恒定的温度下,这种观念自然而然地被迅速淘汰。NXP工程师使用ANSYS工具计算整个器件的温度和电流密度,从而更加准确地预测局部结温并开展热感知型电迁移(EM)分析。

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Under the Hood

汽车环境为电子组件设计人员带来了最为严峻的热挑战之一。

由于发动机舱内的环境温度可能飙升至135摄氏度,汽车环境为电子组件设计人员带来了最为严峻的热挑战之一。电子组件可能会接触到水和灰尘,因此外壳必须封闭,而且在大多数情况下由于可靠性问题而无法使用冷却风扇,这些因素将会使热挑战变得更加严峻。NXP设计团队面临的挑战是确保器件的结温保持在安全级别——一般是低于150摄氏度——同时还要防止因电迁移导致的故障(因导电电子和扩散的金属原子之间的动量传递导致的金属质量传递)。随着时间推移,互联材料晶格的质量传递会造成连接失效和电路故障。使用高密度直流电的应用,比如集成电路,受电迁移的影响尤为明显。随着集成电路尺寸缩小,电迁移的实际影响也相应增大。汽车集成电路对电迁移极为敏感,因为这种现象随温度增长而加剧,而发动机舱的高温环境与现代电子设备不断增加的热流会一同提高芯片温度。

过去NXP工程师使用设计规则来检查和纠正电迁移问题。这种方法假定整个芯片处在最劣情况的一致温度下,虽然实际情况下,热点和较凉爽区域之间的温度差异巨大。随着NXP增加器件的速度和功率,公司发现由于传统方法造成的巨大误差,逐渐难以满足电迁移规范的要求。采用ANSYS RedHawk、ANSYS Totem和ANSYS Sentinel-TI,NXP工程师第一次即可精确地判断单个互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的结温,并根据实际温度计算电迁移。因此,NXP能够根据热梯度做出明智的设计决策,从而在确保可靠性、加快产品上市时间的前提下提高产品性能。

汽车电子产品的热挑战

NXP汽车器件由堆叠在片上系统(SoC)上的存储器芯片构成,并通过铜柱技术连接,适用于传动、安全、电机和电池控制。这种类型的3D IC堆叠器件能够降低功耗并提高通信速度,但使用传统方法无法分析芯片之间复杂的热相互作用。例如在进行逻辑运算时,需要对底部使用高功耗、对顶部使用低功耗来验证堆叠器件。在存储器读/写状态下,则需要对底部使用低功耗、对顶部使用高功耗进行验证。每个器件在验证时需要将制造偏差也考虑在内。从热学角度可能需要评估的两个条件是慢速处理/低漏电以及快速处理/高漏电。

Memory chip of SoC
典型的NXP汽车组件由堆叠在片上系统(SoC)顶部的存储器芯片组成。
Chip thermal model CTM
每层芯片都划分为微米级尺寸的多个元,以创建芯片热模型(CTM)。该芯片热模型包含硅芯片顶层的薄层组成的多层结构和温度特征,模型精度为微米级。

过去一般使用系统级热分析开展热设计,根据热源和对环境的热传递预测整个系统温度。但这种方法存在局限,因为它没有把芯片的详细设计考虑在内。为显著简化起见,我们认为在整个芯片上均匀地消耗功率,而仿真预测的是整个芯片的均匀温度。然后使用这个温度作为芯片上每个CMOS器件的估算结温。这个均匀温度还用在电子计算机辅助设计(ECAD)系统中,作为电迁移验收的设计规则检查(DRC)依据。这种方法先入为主地假设温度是均匀的,从而造成了不可靠的结果。之前使用大量安全裕量分析温度梯度来解决这一局限。但在今天,我们需要在更纤小的体积内集成更多的CMOS器件,导致热量增加,而使用传统方法已经难以或甚至无法满足热验收的要求。

设计团队面临的挑战是,既要确保器件的结温保持在安全级别,又要防止因电迁移导致的故障。

计算整个芯片的温度特性

NXP使用ANSYS半导体热工具套件为芯片详细建模,确定任一点的功率密度和热梯度,从而解决了这一难题。为每条线缆和每个器件详细建模需要进行大量计算,因此将每层细分为矩形单元可以显著简化设计。根据详细设计,每个单元都包含关于功耗与金属层密度以及各层之间的热导率信息。ANSYS RedHawk(用于SoC)和ANSYS Totem(用于定制数字器件,如存储器晶片以及模拟和混合信号IC)使用该信息计算整个芯片的温度特性,并以此作为芯片的基本温度特征。芯片上的温度梯度主要受芯片的CMOS器件的功耗分布影响。

由于焦耳热以及器件到线缆的垂直热耦合,芯片的线缆温度进一步升高。在过去,焦耳热并不是大问题,但今天随着线缆间的距离日益贴近,而且低热导率的介电质包覆在外,已经无法忽略线缆的焦耳热问题。因此,工程师使用单根线缆上的均方根(RMS)电流或是电源线/地线上的平均电流,并结合热耦合为每根线缆创建了一个焦耳热模型。根据功耗、尺寸、长宽比、高程、介电材料的热导率和厚度等参数,使用简单的线性叠加原理可直接计算每根线缆的温度变化,从而最大限度地减少所需的计算工作量。工程师根据芯片热模型(CTM)将焦耳热对电流密度和温度的局部热效应重新添加到热分析中。

与芯片上的器件工作有关的动态功耗在传统设计中占主导地位。但是在新的芯片设计中因漏电流导致的静态功耗的比例正在增加。静态功耗随温度增加,因此这一现象对汽车发动机舱的设计尤为重要。工程师使用芯片上的温度分布功耗图计算静态功耗。静态功耗会导致自发热,经过更新的CTM和电迁移分析能够充分考虑这一因素。

Temperature Map
M2温度分布图
EM map
信号电迁移(M2)分布图
 
温度和电迁移分布图
 
Power and metal density maps
CTM可提供基于区块的温度相关功率密度和逐层金属密度分布图。
Joule heat calculation
为每根线缆及其相邻线缆计算焦耳热。

NXP使用ANSYS半导体热工具套件为芯片详细建模,确定任一点的功率密度和热梯度,从而解决了这一难题。

用于为汽车和嵌入式应用提供可靠、低成本ICS的芯片封装方法学——网络研讨会

CHIP–PACKAGE METHODOLOGIES FOR RELIABLE, COST-OPTIMIZED ICS FOR AUTOMOTIVE AND EMBEDDED APPLICATIONS — WEBINAR

分析芯片-封装-系统

每个芯片的CTM模型、3D IC以及封装的详细信息都会传递到ANSYS Sentinel-TI中,用于开展基于CTM的热分析,以生成整个系统的收敛温度和功耗分布图。这些系统热边界条件再馈送到RedHawk和Totem,用于重新运行基于CTM的热分析,以考虑其他芯片以及封装的影响。Sentinel-TI生成的收敛功耗分布图还可以传递给 ANSYS Icepak,用于开展封装周围复杂气流的完整系统分析与仿真。

NXP工程师不再依赖单一的温度值来表示整个芯片,而是查看能够显示芯片上任一点温度的图,从而轻松发现结温过高的单独器件。他们还能根据芯片上每根线缆的实际温度进行热感知型电迁移检查。利用该信息,工程师能尽早在流程中进行纠正,以消除产生问题的热点。他们还能通过重新运行相关条件下的模型,探索以往没有考虑过的不同工作条件和工艺条件。最终,NXP工程师能够显著提高汽车中关键半导体产品的性能与可靠性,同时加快产品的上市进程。

Wire temperature map
线缆温度分布图
Wire EM map
线缆电迁移图
 
使用实际线缆温度计算热感知型电迁移(EM)。
On-chip thermal analysis
ANSYS Sentinel-TI分析IC、封装和系统的完整热流路径。3-D IC和封装细节在准确的片上热分析中起到关键作用。

NXP能够根据热梯度做出明智的设计决策,从而确保可靠性并加速产品上市进程。

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