NXP工程师使用ANSYS工具计算发动机NXP工程师使用ANSYS工具计算整个器件的温度和电流密度

汽车环境为电子组件设计人员带来了最为严峻的热挑战之一。

由于发动机舱内的环境温度可能飙升至135摄氏度，汽车环境为电子组件设计人员带来了最为严峻的热挑战之一。电子组件可能会接触到水和灰尘，因此外壳必须封闭，而且在大多数情况下由于可靠性问题而无法使用冷却风扇，这些因素将会使热挑战变得更加严峻。NXP设计团队面临的挑战是确保器件的结温保持在安全级别——一般是低于150摄氏度——同时还要防止因电迁移导致的故障（因导电电子和扩散的金属原子之间的动量传递导致的金属质量传递）。随着时间推移，互联材料晶格的质量传递会造成连接失效和电路故障。使用高密度直流电的应用，比如集成电路，受电迁移的影响尤为明显。随着集成电路尺寸缩小，电迁移的实际影响也相应增大。汽车集成电路对电迁移极为敏感，因为这种现象随温度增长而加剧，而发动机舱的高温环境与现代电子设备不断增加的热流会一同提高芯片温度。

NXP使用ANSYS半导体热工具套件为芯片详细建模，确定任一点的功率密度和热梯度，从而解决了这一难题。为每条线缆和每个器件详细建模需要进行大量计算，因此将每层细分为矩形单元可以显著简化设计。根据详细设计，每个单元都包含关于功耗与金属层密度以及各层之间的热导率信息。ANSYS RedHawk（用于SoC）和ANSYS Totem（用于定制数字器件，如存储器晶片以及模拟和混合信号IC）使用该信息计算整个芯片的温度特性，并以此作为芯片的基本温度特征。芯片上的温度梯度主要受芯片的CMOS器件的功耗分布影响。

由于焦耳热以及器件到线缆的垂直热耦合，芯片的线缆温度进一步升高。在过去，焦耳热并不是大问题，但今天随着线缆间的距离日益贴近，而且低热导率的介电质包覆在外，已经无法忽略线缆的焦耳热问题。因此，工程师使用单根线缆上的均方根（RMS）电流或是电源线/地线上的平均电流，并结合热耦合为每根线缆创建了一个焦耳热模型。根据功耗、尺寸、长宽比、高程、介电材料的热导率和厚度等参数，使用简单的线性叠加原理可直接计算每根线缆的温度变化，从而最大限度地减少所需的计算工作量。工程师根据芯片热模型（CTM）将焦耳热对电流密度和温度的局部热效应重新添加到热分析中。

与芯片上的器件工作有关的动态功耗在传统设计中占主导地位。但是在新的芯片设计中因漏电流导致的静态功耗的比例正在增加。静态功耗随温度增加，因此这一现象对汽车发动机舱的设计尤为重要。工程师使用芯片上的温度分布功耗图计算静态功耗。静态功耗会导致自发热，经过更新的CTM和电迁移分析能够充分考虑这一因素。

信号电迁移（M2）分布图

CTM可提供基于区块的温度相关功率密度和逐层金属密度分布图。

CTM可提供基于区块的温度相关功率密度和逐层金属密度分布图。

每个芯片的CTM模型、3D IC以及封装的详细信息都会传递到ANSYS Sentinel-TI中，用于开展基于CTM的热分析，以生成整个系统的收敛温度和功耗分布图。这些系统热边界条件再馈送到RedHawk和Totem，用于重新运行基于CTM的热分析，以考虑其他芯片以及封装的影响。Sentinel-TI生成的收敛功耗分布图还可以传递给 ANSYS Icepak，用于开展封装周围复杂气流的完整系统分析与仿真。

NXP工程师不再依赖单一的温度值来表示整个芯片，而是查看能够显示芯片上任一点温度的图，从而轻松发现结温过高的单独器件。他们还能根据芯片上每根线缆的实际温度进行热感知型电迁移检查。利用该信息，工程师能尽早在流程中进行纠正，以消除产生问题的热点。他们还能通过重新运行相关条件下的模型，探索以往没有考虑过的不同工作条件和工艺条件。最终，NXP工程师能够显著提高汽车中关键半导体产品的性能与可靠性，同时加快产品的上市进程。

ANSYS Sentinel-TI分析IC、封装和系统的完整热流路径。3-D IC和封装细节在准确的片上热分析中起到关键作用。

NXP能够根据热梯度做出明智的设计决策，从而确保可靠性并加速产品上市进程。