芯片热效应成半导体设计大挑战 IoT让问题更复杂

随着汽车、太空、医学与工业等产业开始采用复杂芯片，加上电路板或系统单芯片（SoC）为了符合市场需求而加入更多功能，让芯片热效应已成为半导体与系统设计时的一大问题。

 

据Semiconductor Engineering报导，DfR Solutions资深工程师指出，随着芯片与电路板越来越小，让热问题显得更加严重。Ansys副总则指出，热会带来一堆无法预知的变化，让业者必须从 芯片封装或系统层次评估热冲击的程度，FinFET制程中必须处理局部过热问题，而且进入10或7纳米后程度更严重。

 

早在2001年，时任英特尔（Intel）技术长的Pat Gelsinger便曾预测未来10年内，芯片上能源密度提高是必须设法解决的问题。在高密度封装的SoC中，并非所有的废热都能散出。

 

明导国际（Mentor Graphics）行销经理指出，以车载娱乐系统为例，仪表板会产生热且不易散出，便有可能让绝缘闸极双极性电晶体（IGBT）变得不稳定，因此热管理必须从更接近矽的角度加以评估。

 

至于预先评估何处以及何时会出现热问题，便必须倚赖各种工具、经验与运气达成。而且随着晶粒上温度不平均，欲计算热对稳定性造成影响为何也越加困难，目前所有EDA厂商已联合企图解决该问题。

 

Synopsys工程师指出，拥有极准确且资讯充足的模型显得更加重要，但也带给电子设计自动化（EDA）厂商一定压力。益华电脑（Cadence）表示，传统上分析工具大多针对封装温度，但10纳米FinFET后，考量的地方必须从电路板转移至电晶体上。

 

Sonics技术长也指出，目前漏电流问题依旧存在，而且半导体物理也未改变。外界虽集中在利用时脉来控制功耗，但事实上时脉树（clock tree）仍有许多功耗产生。另一项必须面对的挑战则是动态电源管理。

 

Wingard 则认为解决之道是提升时脉控制效率，另外，先进封装或是个别晶粒封装等也是可行方式之一。Tessera总裁指出，其牵涉主要问题便是热耗散，也就是晶粒的厚度。因为减少厚度可降低电阻让更多热散出。该公司已开始开发以不同方式堆叠DRAM，让DRAM一部份可以开口让更多冷气进入。

 

另外，Kilopass等公司也在开发可抗热的一次性可程式（OTP）记忆体，来取代其他种类非挥发记忆体。该公司副总指出，内嵌快闪记忆体可支援到摄氏85度，但OTP可支援到125度。

 

目前业界也开始研究如何一开始就解决热效应问题。明导国际指出，热矽穿孔（TSV）是研究方向之一，另外，在晶粒下方蚀刻液流道（liquid channels）与引进新的热介面材料也是研究对象。

 

iROC Technologies总裁指出，高温与高伏特将会提高闩锁效应（latch-up）风险，造成稳定度严重的问题，另一个温度造成的影响则是实际的热中 子（thermal neutron）通量。DfR Solutions认为，热也是造成快闪记忆体逐渐出现位元滑动（bit slip）与资料保存问题的原因。

 

如今随着物联网（IoT）发展后，上述问题将更加复杂，热问题已逐渐成为设计必考量的一部分，而且与功耗、架构、制程与封装都密切相关。