系统级封装中的电热分析

论文摘要

随着半导体工艺技术不断先进,集成电路的功率密度不断增大,芯片的工作温度亦随之升高,进而热问题成了限制集成电路发展的障碍之一。另一方面,温度的升高会影响芯片内器件的电特性以及整个系统的稳定性和可靠性。在系统级封装——未来集成电路发展的方向之一中,由于其系统设计、电路功能、信号特征和工艺实现的复杂性,系统的电、热特性必须要综合考虑。本文围绕系统级封装中的电、热效应,分析了有源器件的电特性,整个封装系统的热特性,并综合分析了全局互连线的电热耦合效应。本文首先介绍了系统级封装电热分析的研究背景以及现阶段国内外的研究状况。因为系统级封装涵括的范围相当广——小至单根晶体管,大至整块芯片,而且国内外的研究成果也只针对其中的某个小部分。所以,本文管中窥豹从以下四个角度来分析系统级封装的电热特性。1)当集成电路中晶体管的特征尺寸缩小到纳米级时,它的工作特性随温度变化是很复杂的情况。本文基于BSIM3的温度模型,提出了晶体管线性和饱和工作区内温度波动不敏感的工作点和最佳电源电压的理论解析模型。2)阈值电压随着工艺的发展不断降低,导致芯片漏功耗所占的比例不断增大,而引起漏功耗的漏电流与温度呈指数增长的关系。为此,本文采用最小二乘法,提出一个简洁且精确的系统级估计漏电流的半物理模型。3)根据电场与热场的类比关系,可以用等效热路的方法来估计结温(芯片的工作温度)。本文应用这种电与热等效的方法,对实际的封装模型进行等效热阻网络的提取和简化,得到快速而准确的稳态结温的计算公式。4)在高级工艺下,互连线的电阻率增大,长度变长,互连线问题引起了广泛地关注。本文对甚大规模集成电路中全局互连线电热效应进行建模和分析,并给出稳定状态下,线上温度与电流的解析解。基于这个电热模型,提出一种迭代的电热耦合分析法。本文的这些工作虽然仅仅是系统级封装电热分析的冰山一角,但却有着重要的实际意义。晶体管不敏感工作点和最佳电源电压的解析模型对设计可靠的高性能器件具有指导意义;系统级漏电流的估计模型可用于快速的漏功耗估计和电热协同分析;求解封装结温的热路法不但能用于快速估计结温,还可以指导封装的分析、设计与优化;全局互连线的电热耦合分析结果显示了互连线自热效应的严重性,以及电热耦合分析的迫切性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 集成电路的发展
• 1.1.2 互连结构的发展
• 1.1.3 电热协同分析的重要性
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 高级CMOS 工艺下晶体管的温度特性研究
• 2.1 温度相关的MOSFET 建模
• 2.1.1 温度敏感的参数
• 2.1.2 温度敏感的漏极电流模型
• 2.2 线性区的温度不敏感工作点
• 2.2.1 理论推导
• 2.2.2 实验验证
• 2.3 饱和区的温度不敏感工作点
• 2.3.1 理论推导
• 2.3.2 实验验证
• 第三章 纳米工艺下晶体管的漏电流研究
• 3.1 晶体管漏电流机制
• 3.1.1 漏电流及其组成
• 3.1.2 各漏电流机制简介
• 3.1.3 BSIM4 漏电流简介
• 3.2 漏电流拟合的最小二乘法
• 3.3 模型讨论
• 第四章 典型封装结构的热路建模
• 4.1 热路理论
• 4.1.1 热传导方程的热阻等效
• 4.1.2 电热类比
• 4.1.3 边界条件的等效
• 4.2 封装热路等效
• 4.2.1 实际物理模型
• 4.2.2 等效热路模型
• 4.3 快速结温估计
• 4.4 结果及讨论
• 第五章 全局互连线的电热耦合分析
• 5.1 全局互连线的物理模型
• 5.2 热建模
• 5.2.1 数学描述
• 5.2.2 化简并求解
• 5.2.3 物理参数
• 5.3 电分析
• 5.4 电热耦合迭代
• 5.5 结果分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表和撰写的学术论文