【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】將芯片嵌入堆疊芯片組件會(huì)產(chǎn)生散熱問(wèn)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(kāi)始將芯片塞入帶有更薄基板的先進(jìn)封裝中，這個(gè)問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。
 

　　過(guò)去，幾乎所有這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)都用于嚴(yán)格控制的環(huán)境，例如大型數(shù)據(jù)中心，通過(guò)將部分計(jì)算轉(zhuǎn)移到不同的服務(wù)器刀片或機(jī)架，可以快速解決過(guò)熱問(wèn)題。但這些堆疊的芯片組件現(xiàn)在正進(jìn)入安全至關(guān)重要的應(yīng)用，例如汽車(chē)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(kāi)芯片時(shí)，它都會(huì)加熱、冷卻、膨脹和收縮，但當(dāng)芯片被緊密封閉時(shí)，冷卻時(shí)間可能會(huì)顯著延長(zhǎng)。
 

　　英飛凌科技公司物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算和工業(yè) MCU 高級(jí)總監(jiān) Ketan Dewan 表示：“熱管理絕對(duì)必要。如果管理不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致性能損失、運(yùn)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(lèi)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(yíng)銷(xiāo)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(huì)彎曲和變形。”
 

　　翹曲會(huì)破壞各種計(jì)算元件和基板之間的連接，迫使信號(hào)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(shí)可能看起來(lái)沒(méi)有問(wèn)題，但幾個(gè)月后就會(huì)出現(xiàn)異?；驈氐资А?br /> 

　　分立器件更加隔離，但它們也不能免受熱問(wèn)題的影響。“它們可能會(huì)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(huì)容易一些，”西門(mén)子 EDA的 Calibre nmDRC 應(yīng)用產(chǎn)品管理總監(jiān) John Ferguson 表示。“當(dāng)你堆疊東西時(shí)，事情會(huì)變得更加困難。并排放置還不算太糟，但你可以跨邊界進(jìn)行交互。”
 

　　物理問(wèn)題可能會(huì)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(chē)傳感器可能受到熱量和振動(dòng)的影響，具體取決于它們的位置，這意味著熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力都會(huì)成為問(wèn)題。
 

　　“當(dāng)你談?wù)?strong>嵌入式系統(tǒng)時(shí)，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(shuō)。“它嵌入在某個(gè)東西中，然后它旁邊的東西也會(huì)產(chǎn)生熱量，所以你的芯片會(huì)突然產(chǎn)生一股熱量，這與你正在做的事情無(wú)關(guān)。是隔壁的芯片變熱了，但你的溫度上升了，看起來(lái)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(jì)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(shuō)。“但這種觀點(diǎn)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(gè)問(wèn)題，那么抓住這一點(diǎn)很重要。”
 

　　然而，即使設(shè)計(jì)師意識(shí)到了這些問(wèn)題，在嵌入式設(shè)備中緩解這些問(wèn)題也并不容易。Cadence 產(chǎn)品管理總監(jiān) Melika Roshandell 表示：“例如，對(duì)于手機(jī)而言，熱分析非常重要，因?yàn)槟悴荒茉谑謾C(jī)中放置散熱器。此外，手機(jī)沒(méi)有風(fēng)扇，當(dāng)你把它放在耳邊時(shí)，你肯定不希望它燙傷你的臉。如果沒(méi)有熱緩解措施，它就會(huì)變得那么熱。手機(jī)設(shè)計(jì)師必須考慮如何讓芯片達(dá)到最大頻率，同時(shí)又要符合人體工程學(xué)，不會(huì)燙傷皮膚。他們必須進(jìn)行大量的傳導(dǎo)和輻射分析來(lái)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(wèn)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(huì)造成電氣干擾，但這只是一個(gè)次要問(wèn)題，” Flex Logix首席執(zhí)行官 Geoff Tate 表示。“風(fēng)扇最大的問(wèn)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(huì)崩潰。所以現(xiàn)在問(wèn)題大了。當(dāng)你添加更多晶體管，晶體管運(yùn)行速度更快時(shí)(這是每個(gè)人都希望的)，就會(huì)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(gè)封裝放在冷空氣中，到某個(gè)時(shí)候它也無(wú)法散發(fā)足夠的熱量。所以你需要安裝一個(gè)散熱器，散熱器會(huì)覆蓋整個(gè)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(wèn)題不止于此。事實(shí)上，根據(jù)環(huán)境的不同，情況可能會(huì)變得更糟。“客戶(hù)可能會(huì)說(shuō)，‘它必須能在室外使用，我們?cè)邙P凰城，那里的溫度是 125°F，’”泰特說(shuō)。“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(jì)你的芯片，弄清楚它的所有部件，對(duì)封裝和冷卻進(jìn)行熱分析，并了解客戶(hù)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(yùn)行多快，因?yàn)槿绻阕屝酒珡?qiáng)大，它會(huì)消耗太多的電量，而你無(wú)法消散它。然后它會(huì)超過(guò)結(jié)溫，你必須保持在結(jié)溫范圍內(nèi)，因?yàn)槿绻Y(jié)溫太高，可靠性就會(huì)降低。有些客戶(hù)會(huì)說(shuō)，‘我不希望結(jié)溫升到這個(gè)水平，但我希望它能更高一些。’這很快就會(huì)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(jì)師還必須考慮客戶(hù)是否會(huì)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(huì)被移到靠近大窗戶(hù)的地方，從而受到陽(yáng)光直射的加熱。
 

　　環(huán)境考慮
 

　　此類(lèi)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(jì)和封裝選擇。這包括在較舊的工藝節(jié)點(diǎn)上開(kāi)發(fā)芯片/小芯片，以獲得經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的可靠性，以及挑戰(zhàn)性較低的組裝選項(xiàng)。這些選擇也可能受到責(zé)任問(wèn)題以及工程問(wèn)題的影響。“我看到合同中有更多的法律術(shù)語(yǔ)，”弗格森觀察到。
 

　　對(duì)于嵌入式設(shè)備，工程問(wèn)題通常與人類(lèi)安全問(wèn)題重疊。“如果你有一個(gè)醫(yī)療器械，你把它放入人體，它會(huì)發(fā)熱，這會(huì)對(duì)人體造成什么影響？”弗格森問(wèn)道。“或者更糟的是，如果人體承受壓力，從而產(chǎn)生熱量，這會(huì)影響包裝嗎？你需要更加保守和謹(jǐn)慎，考慮到如何處理這些東西。”
 

　　想想熱管理不佳的起搏器會(huì)發(fā)生什么。“起搏器的使用壽命應(yīng)該超過(guò) 10 年，”英飛凌的 Dewan 說(shuō)。“但如果嵌入式設(shè)備沒(méi)有進(jìn)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(shí)間內(nèi)就需要更換電池。”
 

　　即使在體外，也需要極其謹(jǐn)慎。汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)制定了ISO 26262，這是一項(xiàng)由 12 部分組成的安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了汽車(chē)電子產(chǎn)品的最佳實(shí)踐。遵守 ISO 26262 的要求為克服熱問(wèn)題提供了更令人信服的理由，此外還有一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)事實(shí)：設(shè)備越熱，在采用冷卻解決方案上需要花費(fèi)的錢(qián)就越多。
 

　　解決方案
 

　　有幾種方法可以緩解先進(jìn)封裝中的熱問(wèn)題。從 EDA 的角度來(lái)看，首選方法是在設(shè)計(jì)周期的早期解決這些問(wèn)題，使用實(shí)際工作負(fù)載進(jìn)行廣泛的模擬和原型設(shè)計(jì)。這越來(lái)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(mén)子的 Ferguson 說(shuō)道。“你能否更好地選擇放置位置，以免過(guò)多的熱量集中在一個(gè)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(wú)法移動(dòng)任何東西，如何散熱？”
 

　　對(duì)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(shuō)。“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(lái)幫助冷卻。如果你將一個(gè)芯片放在另一個(gè)芯片之上，那么底部芯片可能會(huì)加熱頂部芯片?，F(xiàn)在頂部芯片沒(méi)有太多空間來(lái)散熱，所以你可以放入銅柱作為一種煙囪
 

　　從多物理角度來(lái)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(gè)體積網(wǎng)格，而不是表面網(wǎng)格，因?yàn)闊崃吭诒砻娴娜齻€(gè)方向上流動(dòng)，”Ansys 的 Swinnen 說(shuō)。“利用設(shè)備的體積網(wǎng)格，您可以模擬功率如何擴(kuò)散，以及環(huán)境溫度如何侵入您的系統(tǒng)并擴(kuò)散到整個(gè)系統(tǒng)。”
 

　　散熱問(wèn)題是設(shè)計(jì)中一個(gè)長(zhǎng)期存在且日益嚴(yán)重的問(wèn)題。“對(duì)于某些設(shè)備來(lái)說(shuō)，散熱問(wèn)題一直存在，但這不是芯片設(shè)計(jì)師需要處理的問(wèn)題，因?yàn)榉庋b設(shè)計(jì)師會(huì)在最后階段處理它，”Swinnen 指出。“你對(duì)可以使用的功率有一個(gè)概念，如果結(jié)果顯示功率稍高，沒(méi)有人會(huì)因?yàn)楣β蔬^(guò)高而放棄芯片。功率曾被視為軟性指標(biāo)，但現(xiàn)在它已成為頭號(hào)問(wèn)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(qián)，但功率會(huì)導(dǎo)致散熱，因?yàn)楣β首罱K會(huì)以熱量的形式散發(fā)出去。嵌入式設(shè)備，無(wú)論你如何定義它們，都是在某個(gè)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(jì)正在考慮液體冷卻和全浸沒(méi)等想法，但(在嵌入式設(shè)備中)只有有限的幾個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)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(wèn)題可能需要新材料(如玻璃基板)和對(duì)現(xiàn)有組件的新思維。“從歷史上看，我們根深蒂固地認(rèn)為我們需要盡可能快的互連，”Ferguson 說(shuō)，“但我們是否可以選擇對(duì)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(huì)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(huì)產(chǎn)生更多的熱量。你必須弄清楚伴隨好處而來(lái)的所有副作用。”