热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析 热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析

热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析

  • 期刊名字:微电子学
  • 文件大小:263kb
  • 论文作者:郭春雨,崔国民
  • 作者单位:上海理工大学
  • 更新时间:2020-09-02
  • 下载次数:
论文简介

第40卷第1期微电子学Vol 40, No. 12010年2月MicroelectronicsFeb.2010热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析郭春雨,崔国民上海理工大学热工程研究所,上海200093)摘要:,针对电子元件在瞬态传热中的热惯性问题,对芯片在热功率信号作用下的温度动态响应特性进行识别。根据芯片温度对芯片发热功率的阶跃响应曲线求得芯片上关键点的传递函数;根据芯片温度的方波响应曲线和正弦响应曲线,重点对热功率信号给芯片造成的温度冲击与信号周期之间的关系进行分析。该研究对提高电子元件抵抗热冲击和热疲劳的能力具有指导意义。关键词:热功率信号;芯片;动态响应;热特性;温度冲击中图分类号:TN452文献标识码:A文章编号:1004-3365(2010)01-0157-08Analysis on Temperature Dynamic Response and Thermal Characteristicsof Chips based on Thermal Power Signal(Institute of Thermal Engineering, University of shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P. R. China)Abstract: In order to explore thermal inertia of electronic components, dynamic temperature response character-of chips based on thermal power signals were identified. According to step function response curves of chipstemperature, transfer functions of temperature at chip's key points were established. Relationship between tempera-ture shock to chips induced by thermal power signals and signal period was analyzed in detail, based on square wavesignal and sine signal response curves of chips temperature. This work is helpful in improving the capability of elec-tronic components to resist thermal shock and thermal fatigue.Key words: Thermal power signal; Chip: Dynamic response; Thermal characteristics; Temperature shockEEACC: 2250@2GHz芯片消耗的功率高达75W。由此带来的1引言过高温度将降低芯片的工作稳定性,增加出错率;同时,模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直如今,微电子芯片的发展呈现三大趋势:进一步接影响到芯片的电性能、工作频率及机械强度提高集成度减小芯片尺寸及增大时钟频率。同时,此外,由于各种电子元件材料的热膨胀系数不同,以高集成度计算机芯片引发的热障问题成了制约其持及在变化的温度场中材料本身的粘性弹性塑性会续发展的技术瓶颈之一。一枚英特尔 Pentium4发生非线性变化等原因,材料本身温度分布的不均芯片集成的晶体管有4200万个,根据“摩尔定律”匀也将会导致结构内部的应力和能量的积累。这种推算:芯片上的晶体管数目每18个月翻一番,那么累积会诱发产生轻微的裂纹,随着电子元件自身工到2010年芯片上的晶体管数量将超过10亿2。作时间的延续,裂纹会不断扩展,以致最后造成分层伴随着晶体管集成度的迅速提高,芯片功率与功率或断裂,从而影响整个系统的可靠性。密度也在急剧增加。现有AMD处理器 Athlon中国煤化工求稳态设计时器120H产生的热量已达66W,一枚 Pentium44件单位HCNMH文认为要确保收稿日期:20090909;定稿日期:20091026基金项目:教育部博士点基金资助项目(20080252000;国家自然科学基金资助项目(20406011);上海市教育委员会发展基金资助项目(07285);上海市重点学科建设项目资助(S30503)158郭春雨等:热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析2010年电子元件的寿命、提高其可靠性特别需要对电子元表1所选风机的主要技术参数件在热信号作用下的抗冲击、抗疲劳能力进行研究Table 1 Technical specification of the wind generator进行此项研究的一个前提是了解电子元件的热惯参数数值性而了解其热惯性就需要对电子元件在热信号作帧尺寸/m70×70×15用下的温度动态响应特性进行识别。另一方面,由速度于实际中很多随机的热功率信号是由基本信号叠加电压/V而成的,故对基本热信号作用下芯片温度的动态响应特性进行研究,可以为防止电子元件的偶然性损电流/A0.22坏,以及改变计算机的运行方式提供指导。转速/RPM鉴于此,本文对球状栅格阵列封装的芯片及其空气流量/CFM29.50散热系统进行详细建模,并基于 Flotherm的瞬态计气压/mmH2O算功能,对阶跃信号、方波信号和正弦信号作用下芯片的温度动态响应特性及热特性进行研究重量/g2物理模型及数学建模仿真对象由芯片(chip)、风机( wind generaMonitor itor)热沉( heat sink)和电路板(PCB)组成,如图1Monitor 2TIM所示。风机选用BD7015轴流风机,技术参数如表1所示。热沉材料为铝,总体尺寸为68mm×82mmontosubstrate4.5mm;热沉的底部平板(从翅片根部到热沉底面的部分)厚度为9.5mm;热沉翅片数量25;翅片厚度1mm。芯片为一枚英特尔 Pentium4,采用倒图2布置于芯片上表面的三个测温点装焊方式置于有机基板( substrate)上。如将热沉拿2 Three temperature monitors on the top of the chip掉在图2中就可看到芯片及芯片上表面布置的三个测温点(进行实验研究、布置热电偶时,可在集成热扩展面,即IHS的表面,加工出较浅的凹槽,将热MonitorI电偶的感温探头埋入凹槽)。其中, Monitor1布置在芯片的中心; Monitor2布置在 Monitor1正下方的芯片边缘处; Monitor3布置在芯片边角处,如图3所示。PCB的尺寸为:120mm×120mmMonitor Monitor1.6mm。图4所示为截取芯片的四分之一部分。wind generator图3芯片及印制电路板的俯视图Fig. 3 Vertical view of chip and PCBheatsink中国煤化工CNMH Golder bal图1被仿真的对象系统图4芯片的四分之一部分Fig. 1 System under simulationFig. 4 A quarter of the chip第1期郭春雨等:热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析芯片封装内部裸片(die的尺寸为10mm×10mm划分的时间网格数为100个,故总计算网格数为空0.7mm;基板尺寸为35mm×35mm×1mm;间网格数与时间网格数的乘积芯片插座( socket)的尺寸为36mm×36mm×4mm;在裸片的背面加一个集成热扩散面(IHS:Integrated Heat Spreader),以增加其散热面积。为了减小接触热阻,在裸片与热扩散面之间涂一层05mm厚的热界面材料(TM: Thermal InterfaceMaterials),在热扩散面与热沉底部之间也必须涂层热界面材料,其厚度为1mm。从图4可以看View: 2 2D.2View:3 2D+x到裸片与基板是通过焊料球( solder balls)连接的。 Flotherm所基于的数值求解方法是有限容积法,求解流动与传热问题的数学模型可用质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程3来描述。质量守恒:+m)+(m)8y+-2=0(1)图5求解域的网格划分动量守恒:Fig. 5 Grid situation of the solution regiona(m2+ divdauU))=d(gadn)+S.-2模型中各组件的材料及导热系数如表2所示其中,PCB的导热性能为各向异性,故三个方向上(2-a)的导热系数是不完全相同的。芯片的热功耗是整个a(p)+dv(∞U)=dv(, grad v)+Sy条统的热源各模型组件之间通过热传导的方式进(2-b)行传热、且服从傅里叶导热定律a()+dival)=div(n grad w)+S.-ap表2各模型组件的材料及导热系数Table 2 Materials and thermal conductivity of modules模型组件材料导热系数W/(m·K)能量守恒:棵片(die)纯硅117.5ar+ div(pU.h)=diva grad b)+cps.集成热扩散面(IHS)铜398.0焊料球( solder bal)Pb9o/Sn1025.基板( substrate聚酰亚胺流体的速度矢量U在三个坐标轴的分量分别芯片插座( (socket)复合材料2.0为a、U、,流体压力为p、密度为p、动力粘度为n。粘结剂粘结剂1.1为一般化起见这里,、、、p、P均为空间坐标及热界面材料(TMD导热脂10时间的函数;表示温度:r表示时间;对于不可压缩印制电路板( PCB) FR48.37,8.37,0.32流体,其密度p为常数;S、Sn、S。为三个动量方程的广义源项。对于粘性为常数的不可压缩流体,S3典型热功率信号下芯片温度的动态=S=S=0。在(3)式中,λ为流体的导热系数,S=S+@,S4为流体的内热源项,φ为由于粘性作响应特性识别用机械能转化为热能的部分;h为比焓,对理想气以下计算模型均在 Flotherm软件中设定:1)模体液体及固体可取h=ctc为比热。对以上数型组件处于一个大气压和35℃的环境条件下(即模学模型,可用Fohm软件进行求解,图5为在拟机中国煤化工时考虑流动与传Flotherm建模环境下的网格划分热;3CNMHG型整个求解域的网格数为185115个即空间网3.1阶跃信号下芯片温度的动态响应格数。由于要进行瞬态计算还必须划分时间网格,Flotherm中,芯片的实际热功率等于总功率与若整个瞬态计算时间为100.每个时间步为1s,则 Multiplier(因子)的乘积,且芯片设定为均匀的体热郭春雨等:热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析2010年源,在此设定其总功率为100W, Multiplier随时间ar与发热功率阶跃量△Q之比,即:的变化如图6所示。芯片的实际热功率变化过程对KI(从图7可得到温度值)应:在OA段,计算机处于稳定运行阶段;在AB段,由于计算量的增大,故芯片发热功率有一个突增,之∴K1=(40.450-39.952)℃=0.083℃/W后计算机稳定运行到C点;在BC段,芯片的发热功率稳定在66W(100W×0.66=66W)。处的表示时间常数)1M图8计算动态特性参数的分析过程Fig.8 Analysis process to calculate dynamic parameters计算时间常数T可参见图8,以O点为原点建立坐标系横轴为时间轴,纵轴为温度轴。O点为阶06.0.6)A(70.0,0.6)B(7.1,0.66c130.0,0.6)跃响应发生的起始点,其坐标为(70.0,39.952)。在曲线M1变化速度最快处(A点)做一切线,此切图6芯片热功率信号的阶跃变化Fig. 6 Step function of chips thermal power signal线与时间轴的交点为N点。阶跃后, Monitor1处的温度趋于稳定(即曲线M1接近水平),沿曲线M1做一条虚线,与切线交于B点;过B点作垂线,交时间轴于E点。由自动控制中飞升曲线法部分的内容可知:线段NE所表示的时间即时间常数T。de(4)yA二yNA点和N点的坐标分别为A(xA,yA)、N(xN,y)。带入这两点的坐标,可得:T1=3.38。对80859095100105于芯片上 Monitor2和 Monitor3处,同理可得:图7阶跃信号下芯片温度的动态响应曲线K37W=0.042℃/WFig. 7 Dynamic response curves of chip's temperaturebased on step function thermal power signalK3=94=36,866536:693=0.029℃/w仿真结果如图7所示,曲线M1即芯片中心T2=2.537s,T3=2.51ls。Monitor1处的温度随时间的变化情况。三条温度飞升曲线法是通过对被测对象施加阶跃扰动作响应曲线M1、M2、M3均表明:芯片温度对自身用得到被测参数随时间的变化曲线以此来识别对发热功率的阶跃响应是一个惯性环节,故其传递函象动态特性的一种方法。采用飞升曲线法确定对象数为:((3)-+1,K表示放大系数,T为时间的输入输出关系时阶跃量不能太大因为在线测试常数。时,这中国煤化工而且,阶跃扰动计算响应曲线M1、M2M3的动态特性参厘在称CNMH G中心、芯片温度数,以芯片中心 Monitor1处为例,其放大系数为从个稳态工况过渡到下一个稳态工况时温度阶跃量阶跃响应曲线的放大系数逐渐增大。这表明在芯片热功率发生阶跃变化时,越靠近芯片中心的部位,第1期郭春雨等:热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析161其升温幅度越大(相对于该点温度的前一个稳态值片的热功率突增时, Monitor2和 Monitor3处的瞬而言)。另一方面,IHS表面的这三个测温点从垂态响应时间更短即其温度能从一个稳态更快地过直方向的导热状况来看其差别并不大,但是越靠近渡到下一个稳态。从动态特性参数看,即其时间常芯片边缘对流换热对芯片的影响越大。综合而论,数T表现得更小。因此,研究热功率信号作用下芯Monitor2和 Monitor3处的散热条件比 Monitor1片不同点处的温度冲击对芯片造成的危险性影响,处的好。因此,与芯片中心 Monitor1处相比,当芯最终要有所区别。表3曲线M3M2、M1的动态特性参数及传递函数Table 3 Dynamic characteristic parameters and transfer functions of response curves M-3, M-2 and Ml动态特性及传递函数M-32M-1放大系数:K/(℃·wK3=0.029K2=0.04时间常数:T/s(s:秒T3=2.511T2=2.537T1=3.338传递函数:G=仍十(此处的是复数变量)G()=2.51+G2()=0.0420.0297+1G1()=3.338+13.2方波信号下芯片温度的动态响应12可见,芯片中心 Monitor1处的响应温度从稳态设定总功率为100W,热功率因子( Multiplier)值(-5s到0s时的温度值)到达稳定振荡阶段的这随时间的方波变化如图9所示。为方便处理数据设定时间是负值时为稳态工作。稳态时,芯片的热过渡阶段稳定振荡阶功率值为60W(100W×0.6),方波的峰谷值之差为稳态时芯片热功率值的10%,方波的占空比为50%稳态时的温度值b064图10方波热功率信号下芯片中心 Monitor1处的温度响应曲线(信号周期分别为0.5s2s、68)Fig. 10 Temperature dynamic response curves of Monitor200204060801001 based on square wave thermal power signal图9芯片热功率的方波信号(方波周期Tc=6s)9 square wave thermal power signal(Period is 6 s图10~图12所示分别是计算得出的九种不同周期方波信号下芯片中心( Monitor1处)的温度响(应情况。热功率信号发生方波变化后:信号周期较小时(周期为0.5s2s、6s),由图10可见,芯片中心处的温度呈现锯齿状变化,响应温度在达到稳定j方郎事振荡前有一个明显的爬升过程,即由低温向高温的逐渐过渡阶段。图11中国煤化工oior1处的温度说明:图7所示是 Flotherm软件的仿真结果;CNMHGS26:、42s)为方便处理数据图10及下文中的图表所示均是将 Fig. 11 Temperature dymamic response curves of Moni软件的仿真结果在 Excel中进行处理后得到的。随着方波热功率信号周期的增大由图11和图(Periods are 16 s, 26 s and 42 s, respectively)郭春雨等:热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析2010年个过渡过程已经很不明显。这会在短时间内使芯片积分平均温度可用(6)式计算:温度有一个突然的攀升,给芯片造成剧烈的温度冲1∑Tal e0 2C2十t1)·(击。这对电子元件显然是不利的,应极力避免(6)44M乐了f对于九种周期的方波热功率信号,可计算求得九个积分平均温度值如图14所示。当热功率信号周期由小增大时,积分平均温度值虽然也在增加,但其增幅却始终在0.1℃之内。积分平均温度反映芯片在热功率信号作用下的平均温度水平,而此平均75155235315395475温度水平又是芯片抵抗热疲劳能力的重要标志。若r=543+64+t808平均温度较高,说明抵抗种热冲击的能力较差,芯片图12方波信号下芯片中心 Monitor1处的温度响应曲线较容易在此种冲击下出现热疲劳,不利于保证芯片(信号周期分别为54s64s,80s)的工作稳定性。但在图14中,由于热功率信号周期Fg12 Temperature dynamic response curves of Monitor的增加没有引起积分平均温度的大幅增加,故此处1 based on square wave thermal power signal热功率信号周期的增加对芯片在热冲击下的抗疲劳Period are 54 s, 64 s and 80 s, respectively)能力已无明显影响。0.302399405060708090周期/s周期/s图13芯片中心 Monitor1处响应温度的振幅随热功图14积分平均温度随热功率信号周期的变化率信号周期的变化ig. 14 Change of integration average temperatureFig. 13 Amplitude change of response temperature atwith thermal power signals'periodsMonitor 1 with thermal power signals,periods3.3正弦信号下芯片温度的动态响应如图13所示,随着方波信号周期Tw的增大,芯片热功率信号随时间的周期性正弦变化如图芯片中心 Monitor1处响应温度振幅增加的幅度却15所示。稳态时(0s之前),芯片热功率为70W,越来越小。周期64s时与周期80s时的温度振幅相差仅0.002℃可以认为此时温度振幅已不随热功率信号周期的增加而变化,故可把64s作为一个临界周期T。当Tm小于T时,热功率信号对芯片造成的温度冲击与信号周期有关;而当Tw大于等于T时,由于 Monitor1处响应温度振幅已不随热功率信号周期的变化而改变,故此时热功率信号对芯片造成的温度冲击已与信号周期无关。所以,中国煤化工当Tw小于T时,要降低对芯片造成的温度冲击,应尽量减小热功率信号的周期CNMHG将整个计算时间c划分为n个时间步对应n图15芯片热功率的周期性正弦信号周期T=1s)个响应温度值。由于本文将时间步划分得很密,故Fig.15 Periodic sine thermal power signal( Period is1s)第1期郭春雨等:热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析正弦信号的振幅为7W(振幅为稳态热功率值的相差0.004℃和0.002℃,故可认为周期大于54s10%)。图16和图17所示是计算求得的8种周期时,温度振幅已不随热功率信号周期的增加而增加,正弦信号下 Monitor1处的响应温度情况。故可把54s作为一个临界周期T。当T小于T时,热功率信号对芯片造成的温度冲击与信号周过渡阶段—稳定振荡阶段期有关;而当T大于等于T时,因芯片中心Mo41.1nitor1处响应温度振幅已不随热功率信号周期的变化而改变,故此时热功率信号对芯片造成的温度40击已与信号周期无关所以,当T小于r,时若要降低对芯片造成的温度冲击,应尽量减小热功率信号的周期5051015202530354045505560t/srlst2s·|=4s器04图16正弦热功率信号下芯片中心 Monitor1处的温度0.3响应曲线(周期分别为1s2s4s,8s)16 Temperature dynamic response curves of Moni-tor 1 based on sine thermal power signal (Peri-ods are 1 s, 2s, 4 s and 8 s, respectively)00周期/8414图18响应温度的振幅随热功率信号周期的变化Fig 18 Amplitude change of response temperature atMonitor 1 with thermal power signals'periods根据(6)式,可求得8种周期的正弦热功率信号想:¥各自的积分平均温度值如图19所示。当正弦热功1552353354755635率信号的周期由小增大时,虽然其积分平均温度值r32s·r54-r=66r=76s也在增加,但其增幅却始终在0.05℃之内。积分平图17正弦热功率信号下芯片中心 Monitor1处的温度响均温度反映芯片在热功率信号作用下的平均温度水应曲线(周期分别为32s548、66s76s)平,此平均温度水平可作为芯片抵抗热疲劳能力的Fg17 Temperature dynamic response curves of Monitor1一种重要度量。若平均温度较高,则芯片较容易在based on sine thermal power signal( Periods are32此种冲击下出现热疲劳说明其抵抗热冲击的能力s, 54 s, 66 s, and 76 s, respectively较差使芯片的工作可靠性降低。但在图19中,热功率信号发生正弦变化后,当信号周期较小时如图16所示,芯片中心Moi1处的温度呈e4os正弦变化响应温度在达到稳定振荡前有一个明显侧408的由高温向低温的逐渐过渡阶段。随着热功率正弦信号周期的增大如图17所示响应温度在达到稳定振荡前的下降过程已经很不明显,这会在短时间内使芯片温度有一个突降。显然,这容易诱发芯片V山中国煤化工一的偶然性损坏不利于确保芯片的寿命。CNMHG如图18所示,随着正弦信号周期Tm的增大,图19积分平均温度随热功率信号周期的变化芯片中心 Monitor处温度振幅的增加却越来越慢Fig. 19 Change of integration average temperature wi周期54s时与周期66s、76s时的温度振幅分别仅thermal power signals'periods164郭春雨等热功率信号下芯片温度动态响应及热特性分析010年热功率信号周期的增加没有引起积分平均温度的大液体金属散热技术的提出与发展[].电子机械工程幅增加,所以,此时热功率信号周期的增加对芯片在2006,22(6):9热冲击下的抗疲劳能力已没有显著的影响。[2]刘静.热学微系统技术[M]北京:科学出版社美国学者 Matthew Sweetland46对在瞬态条2008:131件下测试集成电路装置的一种综合空气射流冷却和[3]陶文铨,数值传热学[M第二版西安:西安交通大学出版社,2001:1-18.高功率激光加热的温控系统的设计与测试进行了深[4] SWEETLAND M, LIENHARD J. Active thermal control人研究。其目的是确保高功率微处理器在产品测试of distributed parameter systems with application to tes-中准确的性能等级分类,因此要对芯片级的温度实ting of packaged IC devices ] ASME J Heat Transfer施主动控制。但是,只有对热测试中器件的温度动2003,125(1):164-174态响应特性进行准确识别,才能更好地实施主动[5] SWEETLAND M, LIENHARD J, SLOCUMAH. A温控convection/radiation temperature control system forhigh power density electronic device testing []. J Elec4结论ackag,2008,130(3):1-10.[6] SWEETLAND M Design of thermal control systems本文对热功率信号下芯片温度的动态响应特性for testing of electronics [D]. Cambridge Massachusetts Institute of Technology. 2001进行了仿真研究,结论如下1)由芯片中心测温点( Monitor1)的温度对[7]魏顺字,李志国,程尧海,等.多芯片组件的三维温场有限元模拟与分析[].微电子学,2005,35(4):芯片发热功率的阶跃响应曲线可见,芯片温度对自身发热功率的阶跃响应是一个惯性环节。从芯片边[8黄竹,蒋和全,鄙毅之开关电源的热设计[.微电缘到芯片中心、芯片温度阶跃响应曲线的放大系数子学,2008,38(4):574-577和时间常数均逐渐增大,这是由于芯片边缘与芯片[9]程迎军,罗乐,蒋玉齐等.多芯片组件散热的三维有中心的散热条件不同所致。限元分析[J,电子元件与材料,2004,23(5):43452)芯片温度的方波和正弦响应曲线表明,方波[0]王健石,朱东霞电子设备热设计速查手册[ML北和正弦热功率信号均存在一个临界周期T。当信京:电子工业出版社,2008号的周期Tm小于T时,要降低对芯片造成的温度冲击应尽量减小信号的周期;若T大于或等作者简介于T。时,则热功率信号对芯片造成的温度冲击已经郭春雨(1983-一),男(汉族),内蒙古包与信号周期无关头人,硕士研究生,主要从事微电子器件和3)对于不同周期的方波和正弦信号,根据温度集成电路的可靠性热设计与研究。响应曲线求得的积分平均温度的变化范围在01℃崔国民(1969-),男(汉族),吉林双辽以内,此时热功率信号周期的变化对芯片在热冲击人,博士,教授,博士生导师研究方向为高下的抗疲劳能力已无明显影响。效换热器与强化传热、电子设备可靠性热设计、能量系统综合与优化等。参考文献:[1刘静,周一欣.芯片强化散热研究新领域一低熔点中国煤化工CNMHG

论文截图
版权:如无特殊注明,文章转载自网络,侵权请联系cnmhg168#163.com删除!文件均为网友上传,仅供研究和学习使用,务必24小时内删除。