一種基于ansys有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，包括：根據(jù)獲取的芯片模型參數(shù)采用ANSYS構(gòu)建芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型；對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型進行有限元網(wǎng)格劃分；加載生熱率和邊界條件，然后對有限元網(wǎng)格劃分后的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型進行穩(wěn)態(tài)熱分析，從而獲得芯片最高溫度；改變芯片的生熱率，然后通過穩(wěn)態(tài)熱分析獲得不同生熱率下的芯片最高溫度；對生熱率與芯片溫度的關(guān)系曲線進行擬合，從而得到生熱率與芯片溫度的關(guān)系函數(shù)；將實際的生熱率代人生熱率與芯片溫度的關(guān)系函數(shù)，從而求出芯片的實際溫度。本發(fā)明將溫度的預(yù)測放到芯片的物理設(shè)計階段，降低了花費的成本，操作簡單和方便。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說明】—種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展使得芯片尺寸進一步減小，而芯片上的器件密度進一步增大，從而可以在一塊面積很小的芯片中實現(xiàn)更多功能。但隨之而來的問題是，芯片的工作溫度也越來越高。相應(yīng)地，芯片使用壽命就成為了關(guān)注的重點，經(jīng)研究表明，芯片的使用壽命隨芯片上器件的溫度升高成指數(shù)下降的趨勢。
[0003]傳統(tǒng)的芯片溫度測量采用的測量儀器大多為紅外照射儀，且在芯片流片完成并制成電路PCB板之后進行，這種方法測量得到的溫度值真實有效，但是一旦發(fā)現(xiàn)芯片存在溫度問題時就需要重新進行芯片物理設(shè)計和流片，這樣花費的成本比較高，不夠簡單和方便。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是:提供一種成本低、簡單和方便的，基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，包括:
[0007]A、根據(jù)獲取的芯片模型參數(shù)采用ANSYS構(gòu)建芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型；
[0008]B、對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型進行有限元網(wǎng)格劃分；
[0009]C、加載生熱率和邊界條件，然后對有限元網(wǎng)格劃分后的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型進行穩(wěn)態(tài)熱分析，從而獲得芯片最高溫度；
[0010]D、改變芯片的生熱率，然后通過穩(wěn)態(tài)熱分析獲得不同生熱率下的芯片最高溫度；
[0011]E、對生熱率與芯片溫度的關(guān)系曲線進行擬合，從而得到生熱率與芯片溫度的關(guān)系函數(shù)；
[0012]F、將實際的生熱率代人生熱率與芯片溫度的關(guān)系函數(shù)，從而求出芯片的實際溫度。
[0013]進一步，所述芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型包括芯片內(nèi)部層級結(jié)構(gòu)，所述芯片內(nèi)部層級結(jié)構(gòu)為自下而上分布的襯底、器件層、電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、絕緣層以及鈍化層。
[0014]進一步，所述步驟A，其包括:
[0015]Al、根據(jù)選用的工藝庫文件獲取芯片內(nèi)部各層級結(jié)構(gòu)以及各層級結(jié)構(gòu)材料的幾何參數(shù)和熱屬性參數(shù)；
[0016]A2、根據(jù)獲取的參數(shù)采用布爾操作構(gòu)建芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型。
[0017]進一步，所述布爾操作包括:VADD相加操作，用于將電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的各層互連線與通孔進行布爾相加操作，以使電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為一個整體結(jié)構(gòu)；VSBV相減操作，用于將絕緣材料與電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行相減，從而得到填充電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格間隙的絕緣層隔離材料；GLUE粘連操作，用于對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型的所有結(jié)構(gòu)進行粘連操作，從而使得所有結(jié)構(gòu)的節(jié)點相互關(guān)聯(lián)。
[0018]進一步，所述步驟B，其具體為:
[0019]采用S0LID90 二十節(jié)點六面體單元對襯底、器件層進行映射網(wǎng)格劃分，采用S0LID87十節(jié)點四面體單元對電源網(wǎng)絡(luò)、絕緣層以及鈍化層進行自由網(wǎng)格劃分。
[0020]進一步，所述步驟C中加載生熱率這一步驟，包括加載均勻分配到器件層中的電源網(wǎng)絡(luò)生熱率過程和根據(jù)映射網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格編號加載標(biāo)準(zhǔn)單元生熱率過程。
[0021]進一步，所述步驟C中加載邊界條件這一步驟，其包括加載芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型表面的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)和表面穩(wěn)態(tài)環(huán)境溫度的過程，所述芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型表面的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)h的計算公式為:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:包括: A、根據(jù)獲取的芯片模型參數(shù)采用ANSYS構(gòu)建芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型； B、對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型進行有限元網(wǎng)格劃分； C、加載生熱率和邊界條件，然后對有限元網(wǎng)格劃分后的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型進行穩(wěn)態(tài)熱分析，從而獲得芯片最高溫度； D、改變芯片的生熱率，然后通過穩(wěn)態(tài)熱分析獲得不同生熱率下的芯片最高溫度； E、對生熱率與芯片溫度的關(guān)系曲線進行擬合，從而得到生熱率與芯片溫度的關(guān)系函數(shù)； F、將實際的生熱率代人生熱率與芯片溫度的關(guān)系函數(shù)，從而求出芯片的實際溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:所述芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型包括芯片內(nèi)部層級結(jié)構(gòu)，所述芯片內(nèi)部層級結(jié)構(gòu)為自下而上分布的襯底、器件層、電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、絕緣層以及鈍化層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟A，其包括: Al、根據(jù)選用的工藝庫文件獲取芯片內(nèi)部各層級結(jié)構(gòu)以及各層級結(jié)構(gòu)材料的幾何參數(shù)和熱屬性參數(shù)； A2、根據(jù)獲取的參數(shù)采用布爾操作構(gòu)建芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:所述布爾操作包括=VADD相加操作，用于將電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的各層互連線與通孔進行布爾相加操作，以使電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)成為一個整體結(jié)構(gòu)；VSBV相減操作，用于將絕緣材料與電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行相減，從而得到填充電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格間隙的絕緣層隔離材料；GLUE粘連操作，用于對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型的所有結(jié)構(gòu)進行粘連操作，從而使得所有結(jié)構(gòu)的節(jié)點相互關(guān)聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟B，其具體為: 采用S0LID90 二十節(jié)點六面體單元對襯底、器件層進行映射網(wǎng)格劃分，采用S0LID87十節(jié)點四面體單元對電源網(wǎng)絡(luò)、絕緣層以及鈍化層進行自由網(wǎng)格劃分。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟C中加載生熱率這一步驟，包括加載均勻分配到器件層中的電源網(wǎng)絡(luò)生熱率過程和根據(jù)映射網(wǎng)格劃分的網(wǎng)格編號加載標(biāo)準(zhǔn)單元生熱率過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟C中加載邊界條件這一步驟，其包括加載芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型表面的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)和表面穩(wěn)態(tài)環(huán)境溫度的過程，所述芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型表面的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)h的計算公式為:
其中，qti?為對流傳熱熱量，為輻射傳熱熱量，ε為熱對流系數(shù)，Tl和Τ2為兩個平行板平面各自的絕對溫度，h。為對流傳熱系數(shù)，S為截面的面積，(trt2)和At均為溫度變化量，Nu為努賽爾數(shù)，λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，L為熱體的特征尺寸，g為重力加速度，β為體膨脹系數(shù)，V為流體的運動粘度，Pr為普朗特數(shù)，系數(shù)B和m取決于傳熱面方向，當(dāng)傳熱面向上時 B = L 076, m = 1/6,向下時 B = 0.747，m = 1/6。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟C中對有限元網(wǎng)格劃分后的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型進行穩(wěn)態(tài)熱分析，從而獲得芯片最高溫度這一步驟，其具體為: 采用Sparse稀疏矩陣求解器進行穩(wěn)態(tài)熱分析，并通過POSTl通用后處理器獲得芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)實體模型的溫度分布云圖，進而通過溫度分布云圖獲得芯片的最高溫度值以及熱點位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:所述的生熱率采用芯片的總功耗與芯片Core區(qū)域面積的比值來衡量。
10.根據(jù)權(quán)利要求2-9任一項所述的一種基于ANSYS有限元熱分析的芯片溫度預(yù)測方法，其特征在于:所述襯底為由Si材料構(gòu)成的矩形平板模型，所述器件層為由S12材料構(gòu)成的矩形平板模型，所述電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為由Cu材料構(gòu)成的兩個相互獨立且均包含Rings、Straps,Rails,Vias的VDD和VSS網(wǎng)絡(luò)模型，所述鈍化層為由Si3N4材料構(gòu)成的矩形平板模型，所述絕緣層為由Si3N4材料構(gòu)成的長方體模型。
【文檔編號】G06F17/50GK104182568SQ201410369427
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】陳弟虎, 粟濤, 楊茵 申請人:廣東順德中山大學(xué)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)國際聯(lián)合研究院, 中山大學(xué)