过去，险些所有这些繁芜的设计都用于严格掌握的环境，例如大型数据中央，通过将部分打算转移到不同的做事器刀片或机架，可以快速办理过热问题。但这些堆叠的芯片组件现在正进入安全至关主要的运用，例如汽车传感器和心脏起搏器，这些运用中可用的选择较少。从根本上讲，可靠性受热循环的影响，因此每次打开芯片时，它都会加热、冷却、膨胀和紧缩，但当芯片被紧密封闭时，冷却韶光可能会显著延长。
英飞凌科技公司物联网、打算和工业 MCU 高等总监 Ketan Dewan 表示：“热管理绝对必要。如果管理不当，可能会导致性能丢失、运行不可靠、设备故障和系统本钱增加。”
更糟糕的是，许多此类设备都涉及不同的材料。“你要处理的是差异膨胀，” Ansys产品营销总监 Marc Swinnen 指出。“如果你拿一块金属，加热一端而不加热另一端，你的芯片就会波折和变形。”
翘曲会毁坏各种打算元件和基板之间的连接，迫使旗子暗记重新路由并降落性能。与热干系的应力还可能造成热失落控，连接变得非常热，导致凸块熔化或改变电路行为。后一种影响可能导致参数漂移，在这种情形下，芯片最初可能按预期事情，但终极不再符合其最初定义的参数。因此，设备在发布时可能看起来没有问题，但几个月后就会涌现非常或彻底失落效。
分立器件更加隔离，但它们也不能免受热问题的影响。“它们可能会产生热量，但由于芯片位于基板上，以是热量有地方可以散发，以是散热会随意马虎一些，”西门子 EDA的 Calibre nmDRC 运用产品管理总监 John Ferguson 表示。“当你堆叠东西时，事情会变得更加困难。并排放置还不算太糟，但你可以跨边界进行交互。”
物理问题可能会变得更加繁芜，这取决于布局和与其他电路的靠近程度。
例如，汽车传感器可能受到热量和振动的影响，详细取决于它们的位置，这意味着热应力和机器应力都会成为问题。
“当你评论辩论嵌入式系统时，不仅仅是元件本身产生的热量，还有临近元件产生的热量，”Swinnen 说。“它嵌入在某个东西中，然后它阁下的东西也会产生热量，以是你的芯片会溘然产生一股热量，这与你正在做的事情无关。是隔壁的芯片变热了，但你的温度上升了，看起来彷佛是你的芯片在发热。”
封装层面的异质性增加了设计方面的繁芜性。“从历史上看，热剖析的办法是，封装中的芯片不仅被视为均匀的材料，而且被视为均匀的温度，”Ferguson 说。“但这种不雅观点未能涵盖相互浸染的全部繁芜性。芯片是热量产生的源头，但它们也可能是热量的受害者。如果你在封装层面考虑这个问题，那么捉住这一点很主要。”
然而，纵然设计师意识到了这些问题，在嵌入式设备中缓解这些问题也并不随意马虎。Cadence 产品管理总监 Melika Roshandell 表示：“例如，对付手机而言，热剖析非常主要，由于你不能在手机中放置散热器。此外，手机没有风扇，当你把它放在耳边时，你肯定不肯望它烫伤你的脸。如果没有热缓解方法，它就会变得那么热。手机设计师必须考虑如何让芯片达到最大频率，同时又要符合人体工程学，不会烫伤皮肤。他们必须进行大量的传导和辐射剖析来确定阈值。由于空间有限，他们面临着更多寻衅，必须在办理散热问题上更具创新性。”
纵然可以利用风扇等传统冷却办理方案，也可能不是空想选择。“风扇会造成电气滋扰，但这只是一个次要问题，” Flex Logix首席实行官 Geoff Tate 表示。“风扇最大的问题除了体历年夜、噪音大之外，便是随意马虎破坏。如果风扇坏了，冷却系统就会崩溃。以是现在问题大了。当你添加更多晶体管，晶体管运行速率更快时（这是每个人都希望的），就会花费更多电量。但封装只能耗散一定量的电量。纵然你将这个封装放在冷空气中，到某个时候它也无法散发足够的热量。以是你须要安装一个散热器，散热器会覆盖全体大散热片。它们可以散发更多的热量。然后你可以将它用螺栓固定在金属盒的侧面，金属盒也变成了散热器，你可以将它放在室外环境中。”
但问题不止于此。事实上，根据环境的不同，情形可能会变得更糟。“客户可能会说，‘它必须能在室外利用，我们在凤凰城，那里的温度是 125°F，’”泰特说。“或者它必须在加拿大埃德蒙顿 -40°F 的环境下事情。你必须能够在很宽的温度范围内事情，以是你必须设计你的芯片，弄清楚它的所有部件，对封装和冷却进行热剖析，并理解客户将如何利用它。然后，你必须反向思考，理解你可以在芯片中放什么，以及你可以让它运行多快，由于如果你让芯片太强大，它会花费太多的电量，而你无法消散它。然后它会超过结温，你必须保持在结温范围内，由于如果结温太高，可靠性就会降落。有些客户会说，‘我不肯望结温升到这个水平，但我希望它能更高一些。’这很快就会变得非常繁芜。”
纵然在凤凰城这样的条件下，设备也可以放置在受控环境中，例如监控空调商店的摄像头。但设计师还必须考虑客户是否会始终遵守这些规范，以及要留出多少余地。毕竟，纵然是最好的 HVAC 系统也有可能涌现故障，或者原来该当放在阴影角落的传感器可能会被移到靠近大窗户的地方，从而受到阳光直射的加热。
环境考虑
此类环境不愿定性，加上许多嵌入式设备利用的关键情形，可能导致守旧的设计和封装选择。这包括在较旧的工艺节点上开拓芯片/小芯片，以得到经由验证的可靠性，以及寻衅性较低的组装选项。这些选择也可能受到任务问题以及工程问题的影响。“我看到条约中有更多的法律术语，”弗格森不雅观察到。
对付嵌入式设备，工程问题常日与人类安全问题重叠。“如果你有一个医疗东西，你把它放入人体，它会发热，这会对人体造成什么影响？”弗格森问道。“或者更糟的是，如果人体承受压力，从而产生热量，这会影响包装吗？你须要更加守旧和谨慎，考虑到如何处理这些东西。”
想想热管理不佳的起搏器会发生什么。“起搏器的利用寿命该当超过 10 年，”英飞凌的 Dewan 说。“但如果嵌入式设备没有进行热管理，嵌入式设备的泄电和功耗可能在不到 10 年的韶光内就须要改换电池。”
纵然在体外，也须要极其谨慎。汽车行业已经制订了ISO 26262，这是一项由 12 部分组成的安全标准，规定了汽车电子产品的最佳实践。遵守 ISO 26262 的哀求为战胜热问题供应了更令人信服的情由，此外还有一个大略的经济事实：设备越热，在采取冷却办理方案上须要花费的钱就越多。
办理方案
有几种方法可以缓解前辈封装中的热问题。从 EDA 的角度来看，首选方法是在设计周期的早期办理这些问题，利用实际事情负载进行广泛的仿照和原型设计。这越来越多地涉及利用数字孪生。
“首先要考虑芯片的放置位置，”西门子的 Ferguson 说道。“你能否更好地选择放置位置，以免过多的热量集中在一个区域？下一阶段将着眼于芯片本身。有什么办法可以散热？如果你无法移动任何东西，如何散热？”
对付嵌入式设备，还有额外的考虑成分。“办理方案必须再修正一下，”Ferguson 说。“你可以在封装中采取各种形式的冷却，比如散热器。你可以在顶部放置 TIM（热界面材料）来帮助冷却。如果你将一个芯片放在另一个芯片之上，那么底部芯片可能会加热顶部芯片。现在顶部芯片没有太多空间来散热，以是你可以放入铜柱作为一种烟囱。”
从多物理角度来看，与所有其他电子仿照比较，热仿照的最大差异在于须要有限元网格。“这是一个体积网格，而不是表面网格，由于热量在表面的三个方向上流动，”Ansys 的 Swinnen 说。“利用设备的体积网格，您可以仿照功率如何扩散，以及环境温度如何侵入您的系统并扩散到全体系统。”
结论
散热问题是设计中一个长期存在且日益严重的问题。“对付某些设备来说，散热问题一贯存在，但这不是芯片设计师须要处理的问题，由于封装设计师会在末了阶段处理它，”Swinnen 指出。“你对可以利用的功率有一个观点，如果结果显示功率稍高，没有人会由于功率过高而放弃芯片。功率曾被视为软性指标，但现在它已成为头号问题。散热与功率直接干系，但两者是两码事。功率利用便是金钱，但功率会导致散热，由于功率终极会以热量的形式散发出去。嵌入式设备，无论你如何定义它们，都是在某个东西的内部，这意味着它们更难冷却。你要增加功率密度，即你每立方体积利用的功率。然后你须要以某种办法将所有热量散发出去，因此冷却变得更具寻衅性。3D-IC 的尖端芯片设计正在考虑液体冷却和全浸没等想法，但（在嵌入式设备中）只有有限的几个问题可以通过这种办法办理。”
终极，办理困扰嵌入式和分立设备的散热问题可能须要新材料（如玻璃基板）和对现有组件的新思维。“从历史上看，我们根深蒂固地认为我们须要尽可能快的互连，”Ferguson 说，“但我们是否可以选择对热敏感度较低的互连——可能是一种像 TSV 这样的宽垂直连接？我们须要弄清楚的部分是权衡。你可能会占用大量可用于其他用场的区域。最好的选择是什么？例如，你可能希望让你的连接非常薄，但这意味着更高的电阻率，这可能会产生更多的热量。你必须弄清楚伴随好处而来的所有副浸染。”
【来源：半导体行业不雅观察】
