热损坏芯片扩大

半导体热正在成为一个更大的问题和系统设计,由于更高的密度和日益复杂的芯片在汽车等市场,可靠性是衡量在长达10年的增量。

过去,热通常是由机械工程师,谁知道哪里把散热片,球迷,或热的底盘漏斗孔。但随着越来越多的功能被添加到PCB或成一个SoC,热正在成为一个更重要的考虑在硅一级是很难预测的,风险管理和忽视。

“热一直是一个问题,但它变得更糟的是芯片,董事会和附件得到更小,”格雷格•卡斯韦尔说,高级成员DfR的解决方案,技术人员的可靠性工程服务公司。他指出这个问题变得明显更糟糕的是在过去的一年。“我们发现焊接疲劳、镀孔疲劳,部分被混合不同的膨胀系数。如果它需要填充不足,未充满不一定与其他部分相匹配。大约有700复合材料跟踪,这一切可以改变取决于董事会材料的类型。人们说他们使用FR-4董事会,但有400材料作为FR-4编目。在一段十年,你开始发现日强调,冲击和振动问题,奇怪的温度变化,很多不同的电压水平。所有这些戏剧产品生存的能力。”

生存是一个相对的概念。现在许多设计必须全功能比过去更长的时间,因为扩展的可靠性要求等终端市场的汽车、航空航天、医疗、工业。甚至在一个汽车信息娱乐系统芯片需要10到15年,因为与安全至上的系统可能的交互。

“在一个移动设备,典型的积极生活是5000小时,”罗恩·摩尔说,负责营销的副总裁手臂的物理IP部门。”服务器,它是100000小时。你需要做额外的电磁分析,分析人字拖。所以物理IP是改变根据物理要求。”

这并不是一个新话题的讨论半导体工程师。2001年,帕特Gelsinger-then英特尔十年内的CTO-predicted,芯片的能量密度相当于太阳表面如果没有完成。解决方案是在多核的形式,黑硅的方法,新材料,和一些很好的工程和设计技术。但问题从未消失过,回来复仇的finFET的设计,特别是在接下来的几个流程节点,迫使企业考虑2.5 d和扇出包装,新的体系结构和微体系结构,并质疑温和甚至更高的温度的长期影响。

”热补充说很多未知数,“Aveek Sarkar说,副总统的产品工程和支持有限元分析软件。“你需要评估chip-package的热影响和系统水平,在芯片级或互连级别,如果是finFET你必须处理局部加热。10 nm和7海里这将变得更糟。你必须与功率预测会发生什么,然后创建温度资料,不同的场景。”

温度相对稳定状态,与之相比,电压峰值下降,例如。使其欺骗性的有效处理。似乎应该逻辑,结合热导电性能的硅,热火应该消散的芯片。但在一个密集的SoC,并非所有的热量可以逃脱。无论通道被阻塞,那么就会引起过热组件,有时完全芯片的另一边。

“改变的是,现在你需要考虑热管理接近硅,”罗宾说Bornoff, FloTherm和FloVent营销经理导师图形。“如果你看看汽车信息娱乐系统,环境相当极端。在仪表板有热量,热量很难离开。现在没有很多冷却通道。这可能导致IGBT经历彻底的改变,使其在某些驾驶不可靠的资料。它也能影响数字显示,亮度或颜色变化的地方。我们讨论的是大的温度梯度。键连接,处理大量的力量,有一种热机的键合线的失败的风险。”

预测问题
找出热问题何时何地出现需要工具的结合,历史,健康剂量的运气。

“一切都看起来好,但35秒到一个模拟你找到一个能力问题,产生热的问题,”艾伦·吉本斯说权力架构师Synopsys对此。“你需要一个非常准确的模型的更多细节发生了什么。但是你不想要整个35秒运行它。所以你在互换cycle-accurate更准确的功能模型,发现热点,然后退出,继续前进。”

事情并不总是那么好,虽然。“你可能会发现一个热的问题核心由于软件任务的流程或已经采取了在硬件软件应该何时做,”吉本斯说。“这是一个巨大的挑战对EDA社区。我们通常考虑可靠性的功率和性能,但它可以受到功率密度的影响。如果你有2到3 GHz处理器他们消耗大量的电力。热因素变得更加严重。”

这个问题变得更加先进的节点,因为利差成本电力和/或性能。用更少的缓冲区,设计需要更精确。但soc的目标之一是更多的功能到一个给定的空间,所以有更多的变量使用模型。

说:“建模与仿真场景是不同的Ansys Sarkar。“你必须了解在哪些条件下一个函数的操作。你必须把整个芯片的上下文。所以芯片可能显示80°C,但它不再是统一的所以你必须重新计算温度曲线的权力。一只手臂块可能是85°,指令缓存可能是75°。计算温度是一个迭代过程之间的温度和力量。一旦温度剖面,然后你必须弄清楚它的过于悲观或乐观的生命周期的筹码。如果你看看铸造电迁移规则,他们说你得到一个10年的生活如果你遵守规则,具有一定的温度。如果温度增加从110°- 125°,芯片会失败得更快。”

但随着不均匀温度在死去时,更难计算对可靠性的影响。

所有主要的EDA公司正在处理这个问题。“传统上,分析工具都集中在包温度,“说CT花王,产品工程建筑师节奏。“但10 nm finFET,你没有你所需要的粒度从PCB的晶体管。我们需要的是一个物理模拟分析。在芯片层面,我们可以解决地点和路线在芯片与热相结合。所以我们有粒度在那个方向,但不是直接的PCB。”

很难确定是什么完全不同的工程师需要在不同的时间,即使对相同的设计。一些需要一个详细的热分析的晶体管或晶体管组,而其他人只需要一个系统级分析。”,所有这一切必须结合实验和良好的工程判断,”高说。“你不一定需要知道单个晶体管的温度如果他们相邻,但你需要知道芯片的行为在不同的功能需求和太热了。”

解决方案
FinFETs从在16/14nm泄漏电流提供了一个喘息的机会,自65年以来已越来越难以管理海里。但问题又开始生长,从10 nm,推高了热量。

“漏不消失和半导体物理并没有改变,”德鲁Wingard说,首席技术官超音速。“对一个节点已经变得不那么重要。我们现在看到的是更多的强调时钟控制电源管理。但现实是,大部分的权力仍在时钟树。另一个挑战是动态电源管理。没有自动化,所以你需要在micro-architectural工作如果不是建筑水平。”

所有这些都直接影响热量。更多的东西”的状态,和他们保持的时间越长,越热生成和热影响越大。Wingard说一个解决方案是更好的时钟控制,因为时钟可以关闭和启动在一个时钟周期,这是非常快。“你可以安排电源管理组,所以你把他们在序列。你也可以先打开小的,所以侵入电流分布在更长一段时间。当你打开脂肪晶体管、低阻力。”

先进的包装是另一种选择,获得了更多的关注。过去一年里,高带宽内存解决方案开始冲击市场。但是有更多的选项,包括个人死如何打包在一起。

”的一个关键问题是热耗散,”克雷格·米切尔说,总统Invensas业务单元的入场券。“这取决于模具的厚度变化。如果你减少厚度可以减少抗拉更多的热量。”

入场券已经开始开发一种不同的方式叠加DRAM,,惊人的模具砖交错的方式,所以在每一个堆栈DRAM是开放的一部分。方法允许更多的冷却和较短的互联和更快的内存访问。

Kilopass等也在记忆方面,公司一直致力于一次性可编程存储器替代其他类型的non-volatilve记忆因为它的耐热性。“与嵌入式闪存,OTP处理极端高温,“Jen-Tai Hsu说,Kilopass的工程副总裁。“好的处理低温低至摄氏-40°。但OTP摄氏125°,而嵌入式闪存通常只支持到85°摄氏度。与汽车达到极端温度和机械领域需要记忆,不失败,OTP是更好的选择。”

也一直是一个重要的努力消除这一问题放在第一位。导师Bornoff说有热等新领域的研究在矽通过,这就像烟囱的方案。“挑战在于,如果你经历任何瓶颈,它支持所有的热源。最好的办法是接近源传热。热通过良好的使用,但专用热tsv是一个活跃的研究领域。我们仍然需要了解需要多少,这些因素如何设计。但它可能产生巨大影响的设计。”

Bornoff说液体通道蚀刻的背面死是另一个活跃的研究领域。新的热界面材料也是如此。“我们看到新的进入游戏使用一小部分金属悬浮在衬底。材料科学是帮助。我们可以做热仿真基于材料的厚度和不同的属性。温度一直是一个很好的领先指标失败机制。”

其他问题
热还有其他的影响刚刚开始被理解的半导体世界穿越的世界深刻的物理学。

”一个强大的影响温度较高,加上高电压,是一个门闩的风险增加,这是一个严重的可靠性问题,”奥利弗Lauzeral说,总裁和总经理iROC技术,另一个可靠性工程服务公司。”另一个影响温度是实际的热能中子通量在房间里。这些中子与硼10掺杂物硅生产α粒子和锂离子。的横截面(或交互的概率)热能中子与硼10不同1 /√E, E是中子的能量与温度呈正相关(因此热能中子)这个词。所以温度越高,能量越高,与^ 10 b的概率越低,越低通量α或锂离子”。

热已经在过去的一年里负责更多的滑倒和闪存数据保留问题,同时,根据爱德华•Wyrwas DfR高级技术人员的解决方案。“我们也看到对栅氧化层完整性的影响,我们将看到更多的负偏压温度不稳定性(NBTI)。和显卡等组件开始做更多的批判性思维,我们开始使用更多的记忆和fpga,气温会更高。”

这些问题可能会加剧随着互联网的一切开始踢到齿轮,因为许多设备需要永远在,和更多的功能被添加到系统,可以影响不同的使用模式。都可以影响热量。

“这里是必要的,你设计的芯片,所以他们完成一定的工作量,“胳膊的摩尔说。“所以你作出预测分析可靠性的工作流。也许这个应用程序将推动近过载电压。这是更多的实现问题,但这是一个增加的趋势。实现是越来越重要,它会影响你在边缘的地方。”

底线是,越来越多的热问题设计的一部分,并且需要独立和结合能力,材料、结构、过程和包装。积极的一面,这确实提供了一些非常有趣的multi-physics工程问题求解。

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