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芯片熱效應成半導體設計一大挑戰 IoT讓問題更復雜

發布時間:2016-3-17 11:23    發布者:eechina
關鍵詞: 熱效應 , 散熱 , 熱耗散
來源:DIGITIMES

隨著汽車、太空、醫學與工業等產業開始采用復雜芯片,加上電路板或系統單芯片(SoC)為了符合市場需求而加入更多功能,讓芯片熱效應已成為半導體與系統設計時的一大問題。

據Semiconductor Engineering報導,DfR Solutions資深工程師指出,隨著芯片與電路板越來越小,讓熱問題顯得更加嚴重。Ansys副總則指出,熱會帶來一堆無法預知的變化,讓業者必須從 芯片封裝或系統層次評估熱沖擊的程度,FinFET制程中必須處理局部過熱問題,而且進入10或7納米后程度更嚴重。

早在2001年,時任英特爾(Intel)技術長的Pat Gelsinger便曾預測未來10年內,芯片上能源密度提高是必須設法解決的問題。在高密度封裝的SoC中,并非所有的廢熱都能散出。

明導國際(Mentor Graphics)行銷經理指出,以車載娛樂系統為例,儀表板會產生熱且不易散出,便有可能讓絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)變得不穩定,因此熱管理必須從更接近矽的角度加以評估。

至于預先評估何處以及何時會出現熱問題,便必須倚賴各種工具、經驗與運氣達成。而且隨著晶粒上溫度不平均,欲計算熱對穩定性造成影響為何也越加困難,目前所有EDA廠商已聯合企圖解決該問題。

Synopsys工程師指出,擁有極準確且資訊充足的模型顯得更加重要,但也帶給電子設計自動化(EDA)廠商一定壓力。益華電腦(Cadence)表示,傳統上分析工具大多針對封裝溫度,但10納米FinFET后,考量的地方必須從電路板轉移至電晶體上。

Sonics技術長也指出,目前漏電流問題依舊存在,而且半導體物理也未改變。外界雖集中在利用時脈來控制功耗,但事實上時脈樹(clock tree)仍有許多功耗產生。另一項必須面對的挑戰則是動態電源管理

Wingard 則認為解決之道是提升時脈控制效率,另外,先進封裝或是個別晶粒封裝等也是可行方式之一。Tessera總裁指出,其牽涉主要問題便是熱耗散,也就是晶粒的厚度。因為減少厚度可降低電阻讓更多熱散出。該公司已開始開發以不同方式堆疊DRAM,讓DRAM一部份可以開口讓更多冷氣進入。

另外,Kilopass等公司也在開發可抗熱的一次性可程式(OTP)記憶體,來取代其他種類非揮發記憶體。該公司副總指出,內嵌快閃記憶體可支援到攝氏85度,但OTP可支援到125度。

目前業界也開始研究如何一開始就解決熱效應問題。明導國際指出,熱矽穿孔(TSV)是研究方向之一,另外,在晶粒下方蝕刻液流道(liquid channels)與引進新的熱介面材料也是研究對象。

iROC Technologies總裁指出,高溫與高伏特將會提高閂鎖效應(latch-up)風險,造成穩定度嚴重的問題,另一個溫度造成的影響則是實際的熱中 子(thermal neutron)通量。DfR Solutions認為,熱也是造成快閃記憶體逐漸出現位元滑動(bit slip)與資料保存問題的原因。

如今隨著物聯網(IoT)發展后,上述問題將更加復雜,熱問題已逐漸成為設計必考量的一部分,而且與功耗、架構、制程與封裝都密切相關。

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