Сквозное тепловое проектирование микроэлектронных устройств. Макаров О.Ю., Муратов А.В

Появляются кристаллы, выделяющие 5-10 Вт и более /40,43,74,77,81, 83/ (МП Pentium Pro - 14 Вт, Pentium MMX - 15,7 Вт), МКМ с мощностью

100-300 Вт /5,7,57,63,67,78,81/, мощные высокочастотные биполярные и полевые транзисторы (БТ и ПТ) с высокими уровнями мощности (до 250 Вт на частоте 400 МГц, до 100 Вт на частоте 1 ГГц и до 40 Вт на частоте 2 ГГц, в импульсном режиме - до 800 Вт ) /26,35-37,48/, при этом удельный тепловой поток достигает значений 10-102 Вт/мм2 /6,26,44,48,81/.

Таким образом, усложнение функций, уменьшение габаритов, увеличение степени интеграции, плотности компоновки, рост быстродействия элементной базы и самих устройств вызывают резкое повышение удельной теплонагруженности и соответственно усиление термических воздействий. Поэтому проблема отвода тепла выходит на первый план при создании современных МЭУ, а налагаемые этим ограничения являются одним из основных факторов, сдерживающих увеличение степени интеграции и быстродействия /6,7,19,26,27,36,39,41,5962,70,73,85/. На рис.1.1 показан рост удельной мощности, которая отводится от кристалла, при повышении быстродействия, т.е. уменьшении времени задержки tз (1), с использованием воздушного (2) и жидкостного (3) охлаждения /6/. Это определяет повышенное внимание к вопросам моделирования и оптимизации температурных полей и актуальность совершенствования и создания новых средств автоматизированного ТП, ориентированных на современные концепции организации проектных работ. А процедуры анализа и обеспечения ТР становятся неотъемлемой частью маршрута сквозного надежностно-ориентированного проектирования МЭУ /9,

19,20,22,23,29,47,53,60,70/.

Рис.1.1. Связь быстродействия ИС и удельного теплового потока

Состав подсистем и структура САПР, требуемые для организации такого маршрута, представлены на рис.1.2.

Рассмотрим основные параметры ТР и критерии, определяющие его оптимальность.

Тепловой режим МЭУ характеризуется температурным полем Т(x,y,z,t), определяющим пространственно-временное распределение температуры, и зависит от внутреннего тепловыделения, внешних тепловых воздействий и параметров окружающей среды ( температуры Тс, плотности с, коэффициента теплопроводности c, удельной теплоемкости cс, давления и др.), применяемых материалов и их теплофизических параметров ( , , c), конструкции корпуса, способа установки и монтажа компонентов, кристаллов, микроплат, вида применяемой системы охлаждения и теплоотводящих

устройств и т.д. Нормальный ТР - это такой ТР, при котором обеспечиваются заданные требования к показателям надежности МЭУ и изменения их параметров в допустимых пределах /22,23,28/.

Предельно допустимое значение температуры термокритичной области ТТК.ПРД (обычно кристалла АК или ИС – ТКР) устанавливают исходя из требований работоспособности МЭУ. Величина ТТК.ПРД находится в пределах 383 - 473 К и наиболее часто используется значение 423 К /16,28/. По величине ТКР.ПРД для конкретных приборов или устройств выбираются из стандартизированного ряда значения предельно допустимых температур корпуса ТК.ПРД и окружающей среды ТС.ПРД, находящиеся, как правило, в диапазоне 343 -

398 К /16,28/.

Техническое

задание

Рис. 1.2. Структура надежностно-ориентированной САПР МЭУ

Традиционно используются следующие условия обеспечения нормального ТР:

где КР-К, КР-С - перегревы кристалла относительно корпуса и окружающей среды.

Рост быстродействия и степени интеграции, ужесточение требований к надежности и стабильности функционирования МЭУ в широком диапазоне внешних воздействий требуют использования новых показателей, более точно характеризующих цель и эффективность ТП и направленных на получение оптимизированных параметров ТР /53,86/, в качестве которых предлагаются следующие:

Критерий оптимальности FТ может выражаться через различные характеристики температурного поля /22,50,53,87/: среднюю или суммарную

температуру элементов; отклонения температур различных областей от среднего значения и друг от друга; локальную температуру и др. Оптимальным решением является такое, которое обеспечивает наилучший в данных условиях ТР, т.е. минимально возможный перегрев, максимальную равномерность температурного поля и т.д. Тогда сущность процесса оптимального ТП можно сформулировать как проведение комплекса работ, направленных на наилучшее выполнение условий (1.2) или (1.3). Иными словами, ТП МЭУ представляет собой процесс получения необходимого распределения температурного поля в конструкции. Требуемые значения (x,y,z,t) в активных областях устройств предложено устанавливать исходя из необходимого уровня надежности конкретных МЭУ, применяя соответствующие средства прогнозирования надежностных показателей (по внезапным отказам и пара- метрических) /53,86,88-90/. При этом требуется использовать модели отказов МЭУ и компонентов, учитывающие влияние тепловых воздействий на их работоспособность и стабильность функционирования /19,21,25,43,69/.

Таким образом, целью ТП является решение проблемы оптимального управления тепловым процессом в МЭУ, заключающееся в выборе таких проектных решений, которые с учетом конструктивно-технологических ограничений, заданных внешних воздействий, условий и режимов работы позволяют обеспечить требуемое или оптимальное по какому-либо критерию распределение температурного поля в устройствах в целом, их элементах и компонентах, направленное на получение необходимого уровня стабильности и безотказности.

Широко используемый подход к организации ТП предусматривает проведение процедур моделирования и обеспечения ТР в основном на этапе КП МЭУ, начиная с решения задачи размещения при разработке топологии, затем при конструировании плат, подложек, корпусов ИС, МСБ и устройств в целом /3,5,16,22,23,28,29,49,52/. При этом анализ тепловых характеристик, как правило, осуществляется после решения какой-либо задачи конструктив-

ного синтеза, если же результаты моделирования неудовлетворительны, происходит изменение конструкции.

Проведенный анализ /53,86,90/ показывает, что такая структура процесса ТП не охватывает все необходимые этапы, на которых требуется учитывать тепловые воздействия и ограничения, а также не позволяет осуществить комплексное исследование и оптимизацию тепловых характеристик создаваемых МЭУ. Следовательно, для снижения временных затрат и уменьшения итерационности процесса проектирования необходимо решать вопросы обеспечения ТР уже на этапах, относящихся к функциональному аспекту, а при конструировании использовать интегрированные процедуры конструктивно-теплового синтеза.

Повышение эффективности средств ТП на базе новых концепций организации процесса разработки и построения САПР (параллельное проектирование, комплексная интеграция, адаптация, надежностно-ориентированный подход /7,18,20,53-56/) требует разностороннего рассмотрения и учета особенностей данной предметной области, прямо или косвенно связанных с вопросами обеспечения и оптимизации ТР МЭУ.

Анализ специфики разработки, эксплуатации, предъявляемых требований, функциональных, конструктивных и надежностных характеристик, элементной базы существующих и перспективных МЭУ и основных направлений их совершенствования, тепловых процессов в них и существующих методов ТП, выполненный с привлечением большого числа источников, часть из которых рассмотрена выше, а также на основе результатов проведенных автором и с его участием исследований /53,86,88-94/, позволил выделить ряд особенностей, влияющих на решение вопросов моделирования и оптимизации температурных полей и требующих обязательного учета при модернизации и

создании новых, более эффективных средств ТП в составе интегрированных САПР МЭУ, реализующих современные подходы к организации процесса проектирования.

Такими основными особенностями, оказывающими влияние на построение процедур и организацию ТП, являются следующие:

1)различные степень и характер температурных зависимостей надежности разных элементов МЭУ;

2)большое разнообразие конструкций и применяемых материалов, обусловливающее трудность исследования тепловых процессов, а также, в свою очередь, существенное влияние устройств теплоотвода и мер, принимаемых для его интенсификации, на конструктивные особенности МЭУ;

3)постоянно уменьшающиеся размеры и высокая плотность упаковки компонентов, приводящие к существенному тепловому взаимовлиянию;

4)зависимость уровня мощности тепловыделения и характера распределения тепловых потоков в активных областях, особенно для быстродействующих и сильноточных устройств, от режимов работы, приводящая к тесной взаимосвязи электрических и тепловых процессов;

5)проявление термических воздействий на всех уровнях иерархии МЭУ (от компонентов до устройств в целом);

6)необходимость учета и решения вопросов обеспечения ТР на возможно более ранних этапах проектирования;

7)случайный разброс электрических, геометрических и теплофизических параметров полупроводниковых АК и МЭУ в целом, влияющий на интенсивность тепловых процессов.

Реальные МЭУ и их компоненты представляют собой термодинамически-неустойчивые системы, в которых протекают физико-химические процессы различной природы, интенсифицирующиеся под действием электрических и тепловых нагрузок и приводящие к деградации параметров и выходу приборов из строя

/19,21,45/. Термические зависимости скорости деградационных процессов, связанных с определенными механизмами и видами отказов, описываются активационными уравнениями Аррениуса /19/ с присущим каждому процессу своим значением энергии активации Еa. Поэтому для разных компонентов ненадежности (кристалл, металлизация, контактное соединение, пленочный элемент и т.д.) величина соответствующей интенсивности отказов, степень и характер ее зависимости от температуры различны /19,25,43,45/ (рис.1.3-1.5). Следовательно, требования к ТР и критерии его оптимальности с этой точки зрения должны выбираться с учетом свойств компонента ненадежности с наиболее сильной термической зависимостью, т.е, необходимо оперировать не усредненным значением Ттк, а локальными, определяемыми путем достаточно детального моделирования температурного поля.

Моделирование температурных полей основывается на представлении реальной конструкции в виде тепловой модели (ТМ), которая получается путем идеализации объекта исследования и процессов переноса тепловой энергии в нем, т. е. учитываются основные, наиболее существенные конструктивные решения и физические процессы. Основным требованием к ТМ является адекватность изучаемому явлению и возможность математической реализации /26/.

Конструктивно-технологические структуры МЭУ характеризуются большим разнообразием и сложностью, использованием различных материалов с широким спектром теплофизических свойств, применением

различных видов теплоотводов (штыревых и оребренных радиаторов, теплоотводящих шин, тепловых труб и др.) и способов сборки и монтажа /2,4- 7,9,10,13,16,26,27,29,35,37,38,41,43,44,52,57,63- 76,78,84,85,95-97/. Некоторые типовые конструкции современных МЭУ приведены на рис.1.6-1.8.

Рис 1.3. Температурная зависимость интенсивности отказов пленочных резисторов (а) и транзисторов (б):

aR и aT – температурные коэффициенты; kн – коэффициент электрической нагрузки