過去，幾乎所有這些復雜的設計都用于嚴格控制的環境，例如大型數據中心，通過將部分計算轉移到不同的服務器刀片或機架，可以快速解決過熱問題。但這些堆疊的芯片組件現在正進入安全至關重要的應用，例如汽車傳感器和心臟起搏器，這些應用中可用的選擇較少。從根本上講，可靠性受熱循環的影響，因此每次打開芯片時，它都會加熱、冷卻、膨脹和收縮，但當芯片被緊密封閉時，冷卻時間可能會顯著延長。
英飛凌科技公司物聯網、計算和工業 MCU 高級總監 Ketan Dewan 表示：“熱管理絕對必要。如果管理不當，可能會導致性能損失、運行不可靠、設備故障和系統成本增加。”
更糟糕的是，許多此類設備都涉及不同的材料。“你要處理的是差異膨脹，” Ansys產品營銷總監 Marc Swinnen 指出。“如果你拿一塊金屬，加熱一端而不加熱另一端，你的芯片就會彎曲和變形。”
翹曲會破壞各種計算元件和基板之間的連接，迫使信號重新路由并降低性能。與熱相關的應力還可能造成熱失控，連接變得非常熱，導致凸塊熔化或改變電路行為。后一種影響可能導致參數漂移，在這種情況下，芯片最初可能按預期工作，但最終不再符合其最初定義的參數。因此，設備在發布時可能看起來沒有問題，但幾個月后就會出現異常或徹底失效。
分立器件更加隔離，但它們也不能免受熱問題的影響。“它們可能會產生熱量，但由于芯片位于基板上，所以熱量有地方可以散發，所以散熱會容易一些，”西門子 EDA的 Calibre nmDRC 應用產品管理總監 John Ferguson 表示。“當你堆疊東西時，事情會變得更加困難。并排放置還不算太糟，但你可以跨邊界進行交互。”
物理問題可能會變得更加復雜，這取決于布局和與其他電路的接近程度。
例如，汽車傳感器可能受到熱量和振動的影響，具體取決于它們的位置，這意味著熱應力和機械應力都會成為問題。
“當你談論嵌入式系統時，不僅僅是元件本身產生的熱量，還有鄰近元件產生的熱量，”Swinnen 說。“它嵌入在某個東西中，然后它旁邊的東西也會產生熱量，所以你的芯片會突然產生一股熱量，這與你正在做的事情無關。是隔壁的芯片變熱了，但你的溫度上升了，看起來好像是你的芯片在發熱。”
封裝層面的異質性增加了設計方面的復雜性。“從歷史上看，熱分析的方式是，封裝中的芯片不僅被視為均勻的材料，而且被視為均勻的溫度，”Ferguson 說。“但這種觀點未能涵蓋相互作用的全部復雜性。芯片是熱量產生的源頭，但它們也可能是熱量的受害者。如果你在封裝層面考慮這個問題，那么抓住這一點很重要。”
然而，即使設計師意識到了這些問題，在嵌入式設備中緩解這些問題也并不容易。Cadence 產品管理總監 Melika Roshandell 表示：“例如，對于手機而言，熱分析非常重要，因為你不能在手機中放置散熱器。此外，手機沒有風扇，當你把它放在耳邊時，你肯定不希望它燙傷你的臉。如果沒有熱緩解措施，它就會變得那么熱。手機設計師必須考慮如何讓芯片達到最大頻率，同時又要符合人體工程學，不會燙傷皮膚。他們必須進行大量的傳導和輻射分析來確定閾值。由于空間有限，他們面臨著更多挑戰，必須在解決散熱問題上更具創新性。”
即使可以使用風扇等傳統冷卻解決方案，也可能不是理想選擇。“風扇會造成電氣干擾，但這只是一個次要問題，” Flex Logix首席執行官 Geoff Tate 表示。“風扇最大的問題除了體積大、噪音大之外，就是容易損壞。如果風扇壞了，冷卻系統就會崩潰。所以現在問題大了。當你添加更多晶體管，晶體管運行速度更快時(這是每個人都希望的)，就會消耗更多電量。但封裝只能耗散一定量的電量。即使你將這個封裝放在冷空氣中，到某個時候它也無法散發足夠的熱量。所以你需要安裝一個散熱器，散熱器會覆蓋整個大散熱片。它們可以散發更多的熱量。然后你可以將它用螺栓固定在金屬盒的側面，金屬盒也變成了散熱器，你可以將它放在室外環境中。”
但問題不止于此。事實上，根據環境的不同，情況可能會變得更糟。“客戶可能會說，‘它必須能在室外使用，我們在鳳凰城，那里的溫度是 125°F，’”泰特說。“或者它必須在加拿大埃德蒙頓 -40°F 的環境下工作。你必須能夠在很寬的溫度范圍內工作，所以你必須設計你的芯片，弄清楚它的所有部件，對封裝和冷卻進行熱分析，并了解客戶將如何使用它。然后，你必須反向思考，了解你可以在芯片中放什么，以及你可以讓它運行多快，因為如果你讓芯片太強大，它會消耗太多的電量，而你無法消散它。然后它會超過結溫，你必須保持在結溫范圍內，因為如果結溫太高，可靠性就會降低。有些客戶會說，‘我不希望結溫升到這個水平，但我希望它能更高一些。’這很快就會變得非常復雜。”
即使在鳳凰城這樣的條件下，設備也可以放置在受控環境中，例如監控空調商店的攝像頭。但設計師還必須考慮客戶是否會始終遵守這些規范，以及要留出多少余地。畢竟，即使是最好的 HVAC 系統也有可能出現故障，或者原本應該放在陰影角落的傳感器可能會被移到靠近大窗戶的地方，從而受到陽光直射的加熱。
環境考慮
此類環境不確定性，加上許多嵌入式設備使用的關鍵情況，可能導致保守的設計和封裝選擇。這包括在較舊的工藝節點上開發芯片/小芯片，以獲得經過驗證的可靠性，以及挑戰性較低的組裝選項。這些選擇也可能受到責任問題以及工程問題的影響。“我看到合同中有更多的法律術語，”弗格森觀察到。
對于嵌入式設備，工程問題通常與人類安全問題重疊。“如果你有一個醫療器械，你把它放入人體，它會發熱，這會對人體造成什么影響？”弗格森問道。“或者更糟的是，如果人體承受壓力，從而產生熱量，這會影響包裝嗎？你需要更加保守和謹慎，考慮到如何處理這些東西。”
想想熱管理不佳的起搏器會發生什么。“起搏器的使用壽命應該超過 10 年，”英飛凌的 Dewan 說。“但如果嵌入式設備沒有進行熱管理，嵌入式設備的漏電和功耗可能在不到 10 年的時間內就需要更換電池。”
即使在體外，也需要極其謹慎。汽車行業已經制定了ISO 26262，這是一項由 12 部分組成的安全標準，規定了汽車電子產品的最佳實踐。遵守 ISO 26262 的要求為克服熱問題提供了更令人信服的理由，此外還有一個簡單的經濟事實：設備越熱，在采用冷卻解決方案上需要花費的錢就越多。
解決方案
有幾種方法可以緩解先進封裝中的熱問題。從 EDA 的角度來看，首選方法是在設計周期的早期解決這些問題，使用實際工作負載進行廣泛的模擬和原型設計。這越來越多地涉及使用數字孿生。
“首先要考慮芯片的放置位置，”西門子的 Ferguson 說道。“你能否更好地選擇放置位置，以免過多的熱量集中在一個區域？下一階段將著眼于芯片本身。有什么辦法可以散熱？如果你無法移動任何東西，如何散熱？”
對于嵌入式設備，還有額外的考慮因素。“解決方案必須再修改一下，”Ferguson 說。“你可以在封裝中采用各種形式的冷卻，比如散熱器。你可以在頂部放置 TIM(熱界面材料)來幫助冷卻。如果你將一個芯片放在另一個芯片之上，那么底部芯片可能會加熱頂部芯片。現在頂部芯片沒有太多空間來散熱，所以你可以放入銅柱作為一種煙囪
從多物理角度來看，與所有其他電子模擬相比，熱模擬的最大區別在于需要有限元網格。“這是一個體積網格，而不是表面網格，因為熱量在表面的三個方向上流動，”Ansys 的 Swinnen 說。“利用設備的體積網格，您可以模擬功率如何擴散，以及環境溫度如何侵入您的系統并擴散到整個系統。”
散熱問題是設計中一個長期存在且日益嚴重的問題。“對于某些設備來說，散熱問題一直存在，但這不是芯片設計師需要處理的問題，因為封裝設計師會在最后階段處理它，”Swinnen 指出。“你對可以使用的功率有一個概念，如果結果顯示功率稍高，沒有人會因為功率過高而放棄芯片。功率曾被視為軟性指標，但現在它已成為頭號問題。散熱與功率直接相關，但兩者是兩碼事。功率使用就是金錢，但功率會導致散熱，因為功率最終會以熱量的形式散發出去。嵌入式設備，無論你如何定義它們，都是在某個東西的內部，這意味著它們更難冷卻。你要增加功率密度，即你每立方體積使用的功率。然后你需要以某種方式將所有熱量散發出去，因此冷卻變得更具挑戰性。3D-IC 的尖端芯片設計正在考慮液體冷卻和全浸沒等想法，但(在嵌入式設備中)只有有限的幾個問題可以通過這種方式解決。”
最終，解決困擾嵌入式和分立設備的散熱問題可能需要新材料(如玻璃基板)和對現有組件的新思維。“從歷史上看，我們根深蒂固地認為我們需要盡可能快的互連，”Ferguson 說，“但我們是否可以選擇對熱敏感度較低的互連——可能是一種像 TSV 這樣的寬垂直連接？我們需要弄清楚的部分是權衡。你可能會占用大量可用于其他用途的區域。最好的選擇是什么？例如，你可能希望讓你的連接非常薄，但這意味著更高的電阻率，這可能會產生更多的熱量。你必須弄清楚伴隨好處而來的所有副作用。”
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