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在系统上映射热量

寻址热问题需要更多的工具,除去热量的策略,以及在设计流程的早期更准确的热分析。

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随着芯片功能变得更小,系统变得更快,更复杂,热问题变得越来越难以解决。他们现在需要从设计和制造流程中整合技术,为电力制作设计和热量更广泛的问题。

随着智能手机的发展,这一点显而易见。10年前销售的手机是非常不同的设备。功能更低,处理器速度更慢,手机本身也更厚。由于外形更薄,如今的手机面临着更恶劣的热环境,这需要考虑到为该系统设计的每个组件。

“热量是电子产品的运行中的副产品,必须被拆除,”John Parry,战略业务发展经理注明西门子eda.。“热量会降低电子性能。热电脑运行速度较慢,正在运行的应用程序可能会“锁定”。热量也会降低可靠性,热量是导致现场故障的最大因素。最后,热会伤害人。暴露的表面必须保持足够凉爽,便于触摸。就可穿戴设备而言,温度只比人体高一点,就会随着时间的推移导致低温烧伤。”

当热缓解是主动的,必须不断降低设备频率,这反过来可能影响产品的竞争力。也不只是芯片。热问题影响PCB.系统的其他部分也一样。

在发布硬件之前,在Melika Roshandell(System Analysion团队)的产品营销总监Melika Roshandell说:“在硬件发布之前,有一些关于如何了解产品在环境中运行的一些理解节奏定制IC和PCB集团。

虽然热分析并不是什么新鲜事,但它并不是大多数芯片设计师的主要关注点。这种情况正在发生改变,特别是随着更多的计算能力被整合到移动设备和系统中,这些设备和系统预计在该领域使用时间更长。随着设计变得更加多样化,以及先进的包装越来越多地向Z轴推进,这一点尤其重要。

“这是您所考虑的规模,”Marc Swinnen表示是半导体划分的产品营销总监ansys.。“芯片设计师习惯于观察数百微米,这是所有这些影响的领域,对热,对电磁。但是一旦你进入3 d-ic我们说的是从一端到另一端只有几厘米,周围有通电环。环内的任何东西都会感受到电磁场,这是一个显著的影响。它比电子工程师所习惯的任何芯片都要大得多。只有几百微米的温差,你不会看到那么大的温差。但是在2 3或5厘米的范围内,你会看到热梯度,而尺度会产生影响。规模上的重大变化不仅仅是数量上的差异。这也是一种质的区别,这一直是PCB和芯片之间的区别。如果你在规模上做出了足够大的改变,它将彻底改变你所使用的工具和方法,即使基本问题是相同的。”

这需要更多的工具和更具体的工具来解决热问题。这些工具的重要性只会随着行业在接下来的几年内迁移到小芯片,从而创造了分析,验证和优化包装热量的需求。

“设计组装chiplets引入要考虑的新元素,假设我们讨论的是2。xD配置,比如不同的最大结需求,”系统集成高级总监Javier DeLaCruz说手臂。“在这里,相同封装的设备可能需要进行更多的热解耦。嵌入式热管散热器的改进是一种有效的方法,可以减少每个芯片不同的热需求。”

同时,需要单独建模小芯片以确定其发热签名。从那里,需要被认为是封装系统的一部分,包括这些热源的耦合,这些热源影响每个小芯片,然后可以影响时间和其他性能度量,Delacruz说。

另一个考虑因素是,钟声允许针对给定功能的模具优化 - 这可能会降低功率损失 - 如果利用小峰值通过3D堆叠添加更多功能,则电力损耗应该增加,所说的工程师和DC-DC计算系统架构在英飞凌科技美洲集团。

为此,半导体公司有兴趣在未来的系统中引入功率转换芯片,这将有助于改善瞬态响应,减少对负载的寄生。这可能会增加热分析和系统优化的需求。

当封装芯片最终使其进入其系统外壳时,存在特定的热考虑因素和冷却要求。例如,大多数基板限于大约105°C,因此需要考虑积分的增加的电力。

“此外,对于给定的系统,需要理解从芯片到顶部和碎片到底部的碎片的热阻抗,”克拉韦德说。“大多数系统试图将传递到主板的热量限制,优选的热路径是散热器或冷板安装在顶部。”

今天可能是基于软件工作负载的抽象能耗状态,但在这些设计上运行的软件需要更准确的模型进行动态功耗和热效果。他说,建模复杂性取决于所需的准确性。

例如,这种复杂性也可以在手机系统和高性能计算系统之间变化很大。但每个系统都有限制它可以处理的内容,并了解这些限制是至关重要的。

Arm的DeLaCruz表示:“通常,封装部件的设计和热模拟都是基于一组抽象的假设,这些假设可能并不代表整个系统外壳。”“这对系统插框来说是个挑战,因为可能有许多部件争夺相同的散热路径。”

DeLaCruz指出,热管理工具箱中有几个工具。“一种工具是利用打包系统的热质量,以实现对热事件的充分预警。零件升温需要很多时钟周期,这可以在软件中进行观察和补偿。”

图1:智能手机的热轮廓,详细的封装,PCB和芯片型号。来源:节奏

专门为3D-ICS制作的工具需要提供边界条件,因为这是完全理解热情的,表示Ansys'Winnen。“热电工具需要能够调用其他相关工具来将整个图像放在一起,例如用于分析多模芯片封装的多体芯片件和用于电源完整性,寄生提取,信号完整性,热行为和热量的互连机械应力,需要用计算流体动力学调用PCB系统级热工具,因此考虑了风扇和散热器。通过这样做,可以针对边缘条件确定边界条件,以便可以为芯片进行分析。热量导致CFD,以及膨胀和翘曲,导致机械和应力。所以越来越多的物理被拖入3D-IC图片中。“

节奏的Roshandell表示同意。“热学和流体学与电子设计密切相关,因为电子系统模型的限制将决定你的热行为。在这方面,你会知道系统的功率包络线,在此基础上,你可以优化热量。例如,如果功率包络是4瓦,我知道在达到4瓦之后,我必须对热能做些什么。我要么把它减弱,要么把频率降低。这就是热能如何在整个电子设计中发挥作用。它与你的系统的限制以及你想要提高系统性能的方式有关。”

这个行业的很多人还只是在学习热问题。Swinnen说:“芯片设计师通常不用太担心这个问题。“这更多是一个系统级的问题,而且对芯片来说是通用的。芯片通常被简单地建模为一个特定的温度——只是整个芯片的一个温度——这肯定是不够的。你需要更多。芯片产生的能量取决于它所处的温度,而温度又取决于它产生的能量。在功率/温度表中,对于每一个功率,你可以看到温度将是什么,这个表基本上就是一些人所说的芯片热模型(CTM)。有了这个模型,你就可以在系统级别主观地测量芯片的温度,然后表格会告诉你芯片输出的功率。这将反馈到温度梯度将是什么,所以你可以集中在一个一致的解决方案,以及功率输出是否匹配它的温度。”

热缓解策略
热通过传导、对流和辐射来传递。“从冷却的角度来看,我们主要可以改善传导和对流,”西门子EDA的Parry说。“如果电子设备太热,唯一的替代方案是通过暂时降低产品性能来降低功耗。”

由于热封与动力信封一起,因此电源将导致热量疯狂。“如果你没有热缓解计划,那将会发生什么,它会去热失控,即温度继续上升,”Roshandell说。“那么电力继续上涨,因为泄漏是温度的指数函数。当泄漏上升时,会发生什么?您的温度再次上升,您进入了一个反馈循环,使设备刻录,或导致巨大的可靠性问题。这就是为什么热缓解是如此重要。电力信封给出的是,“达到这种力量,热量会很好。”例如,通过4瓦的电源包络,您知道最多4瓦,您不会达到热缓解。一旦你到达4.1瓦,你会达到热缓解。如果您没有散热,您将去热失控。如果是一个选择,那么具有热缓解或空气流动非常重要。“

热缓解取决于系统。“芯片级别的最佳行动方案可以降低芯片的频率,优化采用泄漏恢复,或者具有靠近热点的温度传感器的地板平面,”Roshandell说。“在包装级别,可以包括热通孔,或者可以使用更高的铜密度。然后,对于整个系统,如果您可以拥有粉丝,那绝对会帮助。但随着很多电子产品越来越小,你真的不能在那里有风扇。但是,有热带或先进的热界面材料等新技术可以有助于减少热量。“

另外,通过传导冷却电子设备,可以使用以下技术:

  • 间隙垫。这些可用于从部件顶部传导热量,或者PCB的背面传导到外壳。
  • 填充不足。可以汇出掉落,冲击和振动的部件,这可以底落地填充,这改善了部件和板之间的导通,特别是在铅封装中。
  • 热通孔。通过在封装下方和周围添加这些装置,可以通过连接到一个或多个接地平面,改善散热来增加电路板的热传导。
  • Peltier设备或热电冷却器。这些用于控制温度,但增加系统级散热。

通过对流进行酷电子设备,帕里建议以下方法:

  • 粉丝。这些是最常见的增加对流的方法。
  • 液体冷却。液体是用于转移热的更好的介质,而不是空气,并且用于最高的热负荷。缺点是冷却溶液将比昂贵约5倍,传热需要散热器。
  • 热管。这些对于将热量移动到将其产生的热量移动到更容易冷却的地方非常有用。一个例子是笔记本电脑,其中来自CPU的热量在排气扇前移动到右侧。
  • 散热片。它们通常被添加到组件的顶部。散热器是一种被动热交换器,其作用是加强从表面到邻近流体介质的传热。表面上的简单性使这看起来是一个非常理想的选择。散热器有助于,因为从源在模具结到局部环境的路径上的极限热阻是机箱对环境的热阻。

增加一个散热器改变了从包顶部到当地环境的热流。这样做,它也改变了多少热量是传导到板。所以在降低元件温度的同时,也降低了板的温度,从而影响到其他元件。热工的任务是考虑如何最好地利用热工预算,即超过环境温度的最大结温增加减去一些误差余量。

结论
虽然有许多技术和工具可以用于考虑热量和流体,但对于今天的设计成功,任何公司的热团队都必须从设计的第一个阶段参与其中。

“热团队可以对如何在热约束下提高整个系统性能的愿景,”Roshandell说。“他们可以做'什么'研究。虽然它将建立在以前的项目上,但请记住,我们正在进入更新的技术,并且这些新技术节点具有不同的泄漏功率和不同的动态功率。所有这些东西都对热量产生了巨大影响。所以涉及从设计的第一阶段的热团队,而不是设计完成后,然后要求他们修复它。那将有点晚了。“



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