如今，集成電路的設(shè)計(jì)趨勢(shì)正朝著在同一塊芯片內(nèi)集成越來(lái)越多的電路的方向發(fā)展。在諸如高速通道收發(fā)器、微控制器、汽車(chē)電子、智能電源芯片和無(wú)線產(chǎn)品等許多應(yīng)用中，模擬電路和數(shù)字電路都被放置在同一個(gè)裸片上。將功率器件、高性能模擬電路和復(fù)雜數(shù)字電路在這樣的混合信號(hào)設(shè)計(jì)中進(jìn)行集成，會(huì)導(dǎo)致裸片中的功率密度增加，由于這些不同的電路會(huì)產(chǎn)生熱量，這就會(huì)引發(fā)溫度問(wèn)題。

    芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)師、電路設(shè)計(jì)師和布線設(shè)計(jì)師正面臨著越來(lái)越大的壓力，因?yàn)樗麄儽仨殰?zhǔn)確掌握其設(shè)計(jì)中的溫度變化情況以及這些變化對(duì)電路性能和可靠性會(huì)帶來(lái)怎樣的影響。本文描述了一種直接集成到設(shè)計(jì)流程中的詳細(xì)三維溫度分析，介紹了這種溫度分析如何幫助芯片設(shè)計(jì)師和架構(gòu)師更好地掌握芯片內(nèi)的溫度梯度，以及溫度梯度影響芯片性能的情況。

對(duì)溫度梯度的現(xiàn)有理解

    估計(jì)IC芯片結(jié)溫的一般方法是利用精簡(jiǎn)封裝模型，其中包括給定封裝的zui大結(jié)溫、zui大環(huán)境溫度，zui大允許功耗以及此封裝的熱阻（R?JA，junction to ambient）。不同的精簡(jiǎn)封裝模型中可能會(huì)有幾個(gè)熱阻，但這類(lèi)模型的應(yīng)用都涉及到圖1中所示的一個(gè)線性方程。

圖1 精簡(jiǎn)模型下的結(jié)溫

（a）結(jié)溫變化，這導(dǎo)致電路單元之間產(chǎn)生溫度梯度

（b）zui大結(jié)溫會(huì)超出精簡(jiǎn)模型計(jì)算得到的數(shù)字

圖2（a）給出的是，在為實(shí)現(xiàn)芯片的某個(gè)特定工作模式而選用的模塊與器件的實(shí)際位置和功率密度條件下，裸片的通道區(qū)域內(nèi)的溫度分布。溫度分布的不同顏色顯示，通道內(nèi)存在幾個(gè)溫度值。溫度的總平均值和基于精簡(jiǎn)模型計(jì)算得到的溫度相近。但前者一般更高，因?yàn)榭刂葡噙B熱源的公式是非線性的，而精簡(jiǎn)模型認(rèn)為是線性。結(jié)的zui大溫度可能會(huì)高很多，如圖2（a）所示。

    不經(jīng)過(guò)熱分析，設(shè)計(jì)師不可能在項(xiàng)目早期就知道真正的結(jié)溫，這會(huì)影響芯片封裝和散熱方案的選擇。了解芯片溫度和梯度的情況還可影響電路布局（以確保關(guān)鍵器件的溫度相近）和物理尺寸（以保證芯片在實(shí)際工作溫度下足夠可靠）。

 
    規(guī)的帶隙參考電壓為1.2V，但隨著電源電壓下降到1.2V甚至更低，就需要增大溫度補(bǔ)償力度。常規(guī)的帶隙參考電路只能對(duì)溫度進(jìn)行一階補(bǔ)償，當(dāng)參考電壓較低時(shí)，溫度的影響就更大，就需要額外的電路來(lái)進(jìn)行更高階的溫度補(bǔ)償。于是掌握裸片上的溫度分布，并根據(jù)溫度梯度進(jìn)行設(shè)計(jì)，以避免由溫度造成的電路故障，就變得日益重要起來(lái)。

應(yīng)該更好地理解溫度梯度對(duì)芯片的影響

    溫度會(huì)在不同程度上影響二極管、電阻、電容和晶體管等電子元件。而混合信號(hào)設(shè)計(jì)越來(lái)越需要在內(nèi)部功率密度不均勻的芯片上進(jìn)行高速、低電壓和高復(fù)雜性的設(shè)計(jì)，這會(huì)極大增加芯片的溫度梯度。因此設(shè)計(jì)師需要考慮溫度梯度對(duì)整塊芯片造成的影響。

    模擬設(shè)計(jì)對(duì)哪怕只有幾攝氏度的溫差都可能特別敏感。為避免性能降低和參數(shù)失效，這類(lèi)電路的布線必須嚴(yán)格遵守電路的對(duì)稱(chēng)特性，這就使了解溫度分布情況變得更加重要。由熱引起的設(shè)計(jì)問(wèn)題包括差分放大器的輸入偏移、高分辨率轉(zhuǎn)換器的誤差、調(diào)節(jié)電路的參考電壓漂移和運(yùn)放的直流增益損耗。

熱分析的實(shí)用性

    電壓和電流參考源在模擬電路中被廣泛使用。仔細(xì)研究帶隙參考電路的特點(diǎn)就能看出對(duì)整塊芯片進(jìn)行熱分析作用何在。這種參考源是穩(wěn)定的直流源，它和工藝參數(shù)、軌線電壓以及規(guī)定溫度的改變無(wú)關(guān)。帶隙參考電路是IC設(shè)計(jì)中應(yīng)用zui廣泛的電路之一，在DRAM和 flash存儲(chǔ)器、模擬器件中都有應(yīng)用。

    帶隙產(chǎn)生的電壓應(yīng)與溫度無(wú)關(guān)，這個(gè)電壓是通過(guò)這樣的方式產(chǎn)生的：在一個(gè)隨溫度上升而下降的電壓（稱(chēng)作相反于溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)CTAT）上加一個(gè)隨帶隙電路元件的溫度上升而升高的電壓（稱(chēng)作正比于溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)PTAT）。CTAT電壓是通過(guò)對(duì)正偏的雙極性晶體管的基極－發(fā)射極進(jìn)行分接產(chǎn)生的，而PTAT電壓則利用兩個(gè)雙極性晶體管的基極－發(fā)射極電壓差產(chǎn)生。這兩個(gè)雙極性晶體管雖然流過(guò)的總電流相等，但二者的基極－發(fā)射極電壓大小不同。 這里的一個(gè)基本假設(shè)是PTAT電路中的器件所在區(qū)域是一個(gè)等溫區(qū)。但考慮到整個(gè)芯片上復(fù)雜的溫度變化，這個(gè)假設(shè)往往不成立。

    例如，由于基極－發(fā)射極電壓與溫度的關(guān)系是非線性的，因此當(dāng)兩個(gè)PTAT晶體管之間存在溫度梯度時(shí)，帶隙電路就無(wú)法正確工作。但如果能在設(shè)計(jì)階段放置這些器件或者為其在電路中定位之前，就能了解溫度特性，那么就可以通過(guò)將帶隙電路沿等溫線布置來(lái)防止其出錯(cuò)。下文介紹的溫度感知（temperature-aware）功能一個(gè)目的就是在模擬電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中提供這類(lèi)信息，以防止帶隙電路出錯(cuò)。

    當(dāng)帶隙電路中晶體管之間的溫度差不到幾攝氏度時(shí)，溫度傳感器這類(lèi)電路就不能正常工作，而在一些汽車(chē)應(yīng)用中，裸片上的溫度梯度可能超過(guò)70到80°C！溫度傳感器的應(yīng)用范圍很廣，例如在便攜式設(shè)備、計(jì)算機(jī)以及電池的監(jiān)控功能部分，在蜂窩的振蕩器漂移補(bǔ)償功能部分，還有在工藝控制中都有應(yīng)用。

    如何放置溫度傳感器才能避免由溫度變化造成的故障

    隨著功率密度增大，溫度梯度變得越來(lái)越難以預(yù)測(cè)。通常我們會(huì)在一塊測(cè)試芯片的基片上植入二極管，用以體現(xiàn)晶元的空間穩(wěn)態(tài)溫度特性。如果對(duì)溫度特性事先缺乏了解，就可能導(dǎo)致溫度傳感器在芯片中的放置位置無(wú)法反映出zui大溫度或zui大溫度梯度。這可能導(dǎo)致由測(cè)試芯片產(chǎn)生的結(jié)論不正確，以及將帶隙器件放置于存在溫度梯度的區(qū)域，從而導(dǎo)致帶隙電路不能正確工作。

圖4

   正如前面提到的，我們需要特別注意模擬電路的布局。集成器件的物理特性和它們與電氣特性的關(guān)系必須平衡。因此，模擬電路的布局過(guò)程就需要一個(gè)能夠顧及器件失配、串?dāng)_、設(shè)計(jì)規(guī)則和溫度等約束條件的反饋回路。但不經(jīng)過(guò)詳細(xì)的熱分析，無(wú)法得到基片上的等溫線，因此在大多數(shù)如今的設(shè)計(jì)中，這個(gè)反饋回路在制造和測(cè)試之前往往并不閉合。圖3說(shuō)明了在未經(jīng)熱分析的情況下，因?yàn)闆](méi)有正確地估計(jì)溫度梯度，利用標(biāo)準(zhǔn)公共質(zhì)心布線法來(lái)決定溫度傳感器的位置會(huì)產(chǎn)生怎樣的問(wèn)題。

    該例中，對(duì)電路進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)溫度分析顯示了PTAT故障的誤差條件。盡管通常設(shè)計(jì)師都比較關(guān)心模擬電路的穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)，大部分電路仿真程序仍然將重點(diǎn)放在暫態(tài)分析上。有時(shí)，集成器件的熱時(shí)常數(shù)（通常在毫秒級(jí)）會(huì)影響其電行為，因此需要進(jìn)行暫態(tài)熱仿真并研究熱時(shí)常數(shù)對(duì)器件暫態(tài)電行為的影響。然而對(duì)整個(gè)芯片進(jìn)行全面熱分析（采用直接方法）需要花費(fèi)長(zhǎng)的驚人的時(shí)間。進(jìn)行全芯片級(jí)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱效應(yīng)分析有一種更有效的方法，那就是讓一個(gè)熱分析引擎與一個(gè)電路仿真器在某些離散時(shí)間點(diǎn)上進(jìn)行交互。

將熱分析集成進(jìn)設(shè)計(jì)流程

    圖4描繪了一個(gè)模擬設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)環(huán)境。溫度分析通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式集成到設(shè)計(jì)流程中。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)被直接讀入熱分析引擎，然后象數(shù)字電路中常見(jiàn)的一樣，從仿真數(shù)據(jù)或功率分析工具中直接讀出功率消耗值。

    熱分析的輸出用來(lái)更新單個(gè)器件以及連接區(qū)域的溫度。一旦這些信息更新后，器件的功率和寄生值也就得到了修正。這一步驟牽涉到在網(wǎng)表（仿真格式和/或設(shè)計(jì)格式）和物理實(shí)例之間進(jìn)行一致的名字映射。這種在電路分析和溫度分析之間的電熱循環(huán)用來(lái)捕捉熱量對(duì)電路行為的影響。穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)問(wèn)題都可以利用圖4描述的流程加以解決。

    集成電路尺寸縮小，集成度增高，而且同一塊芯片上混合集成了模擬電路和數(shù)字邏輯電路，這一切都使由溫度引起的設(shè)計(jì)問(wèn)題不斷增加。在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行片上熱分析的需求不斷增長(zhǎng)，并且這一需求正在得到認(rèn)可。將熱分析（利用熱模型和電模型以及芯片的封裝特性分析）加入標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)流程就使設(shè)計(jì)師能夠在設(shè)計(jì)早期檢測(cè)并修復(fù)與熱量相關(guān)的問(wèn)題。熱問(wèn)題一旦檢測(cè)出來(lái)之后，可以通過(guò)幾種方式解決，例如布圖規(guī)劃調(diào)整或改進(jìn)芯片封裝。利用每個(gè)器件的溫度以及溫度梯度信息，設(shè)計(jì)師就能在流片之前確定其設(shè)計(jì)的性能和正確性，從而避免出現(xiàn)代價(jià)高昂的芯片失效和設(shè)計(jì)返工。