Электротепловое проектирование «разумных» мощных микросхем с использованием системы Mentor Graphics

Введение

«Разумные» мощные интегральные схемы (ИС), гибридные схемы и модули являются перспективной компонентной базой для создания систем промышленной автоматизации, автомобильной электроники, систем авиа- и космического назначения, телекоммуникаций, преобразователей питания и др. Для этих схем характерны следующие особенности [1, 2]:

• совмещение на одном кристалле (корпусе) мощных силовых транзисторов и маломощных цифро-аналоговых схем обработки информации, управления, защиты силовых схем и др.;
• работа силовых транзисторов при высоких плотностях токов и мощности в пределах одной микросхемы и, как результат, при высоких рабочих температурах, влияющих на них самих и на остальные элементы ИС;
• растущие требования по линейности характеристик для аналоговых и по скорости обработки информации для цифровых блоков при увеличении рабочих температур микросхем.

Поскольку все параметры полупроводниковых приборов, включая надежность, сильно зависят от их температуры, то обеспечение правильной и надежной работы мощных ИС на этапе проектирования невозможно без оптимизации топологии мощных и управляющих элементов, их взаимного расположения, обеспечения правильной работы схем контроля температуры и защиты мощных выходных элементов.

В отличие от маломощных ИС, при проектировании «разумных» мощных ИС важное значение приобретает этап электротеплового проектирования [4], которое позволяет проанализировать влияние электрического режима работы элементов на их температуру с учетом топологических особенностей и теплоотвода корпуса и при этом оценить обратное влияние полученной температуры на электрические параметры и режим работы элементов. Такое совмещенное моделирование дает возможность оптимизировать схемотехнические решения, топологии и режимы работы элементов на кристалле и их взаимное расположение для:

• уменьшения температур нагретых элементов;
• уменьшения нежелательного взаимного влияния;
• обеспечения правильной работы датчиков температуры силовых элементов.

Соответственно, процесс электротеплового проектирования мощных ИС включает в себя решение следующих задач:

• расчеты температурных полей внутри мощных элементов ИС с учетом их нагрева;
• расчеты температурных полей на кристалле силовой ИС в зависимости от топологических вариантов, конструкции корпуса, условий теплоотвода, мощности элемента, получение тепловых сопротивлений между компонентами ИС и их тепловых емкостей;
• формирование библиотеки электротепловых (Spice) и логико-тепловых (VHDL-AMS) моделей элементов ИС по результатам измерений (или расчета) характеристик элементов, их тепловых сопротивлений и емкостей;
• логико-тепловой расчет цифровых блоков ИС;
• электротепловой расчет отдельных фрагментов (силовых элементов и аналоговых схем) и всей ИС с учетом взаимного влияния электрического и температурного режимов работы;
• анализ электротеплового взаимодействия между элементами на кристалле, оптимизация взаимного расположения термозависимых компонентов;
• определение оптимальной конструкции и расположения датчиков температуры мощных элементов.

К сожалению, в распространенных системах проектирования ИС, в частности Mentor Graphics, отсутствует возможность совместного электротеплового расчета ИС и их компонентов.

Подсистема электротеплового проектирования мощных микросхем

Для решения описанных выше задач в рамках системы проектирования ИС фирмы Mentor Graphics авторами были разработаны маршрут и подсистема электротеплового проектирования мощных микросхем [5]. Они прошли отработку в ходе совместных работ с рядом промышленных предприятий, таких как ООО «НПП Томилинский электронный завод», ОАО «НПП «Пульсар» и др.

Структура подсистемы представлена на рис. 1. Стандартное программное обеспечение (ПО) обозначено черными прямоугольниками, разработанное авторами — синими.

Рис. 1. Структура подсистемы электротеплового проектирования мощных микросхем

На структурной схеме показано взаимо­действие между частями подсистемы. Используется следующее ПО:

• стандартное для приборно-технологи­ческого моделирования тепловых полей в структурах полупроводниковых приборов — Synopsys TCAD [6];
• для расчетов распределений температуры по кристаллу, тепловых режимов и тепловых параметров (тепловых сопротивлений и тепловых емкостей) компонентов на кристалле — «Перегрев-МС» (разработано авторами) [7];
• для генерации моделей компонентов для электротеплового схемотехнического анализа схемы — Eth Model Generator (разработано авторами) [8];
• стандартное для схемотехнического — Eldo, System Vision и смешанного аналого-цифрового анализа схем — Questa ADMS системы Mentor Graphics;
• для организации взаимодействия между программными пакетами для схемотехнического и теплового моделирования — ETH SimCoupler (разработано авторами) [9];
• для коррекции коэффициентов излучения исследуемых объектов IR DataProc (разработано авторами) [10].

Приборно-технологическое моделирование тепловых полей в структурах полупроводниковых приборов

Известное ПО Synopsys TCAD [6, 11] используется для двух- или трехмерного численного моделирования электрических полей, токов и тепловых полей в структурах мощных элементов ИС. Данный вид расчета позволяет получить статические, динамические и тепловые характеристики компонента ИС (например, транзистора), по которым затем строится его электротепловая Spice-модель, используемая на этапе моделирования схемы. Важно отметить, что такое моделирование позволяет исследовать распределение температуры внутри полупроводникового прибора, которое нельзя получить другими способами.

Рис. 2. Смоделированные с помощью TCAD:
а) часть сечения мощного ДМОП-транзистора;
б) распределение температуры в данном сечении (Vси = 20 В, I с= 2×10-4 A/мкм);
в) выходные ВАХ с учетом (жирные линии) и без учета (тонкие линии) эффектов саморазогрева

На рис. 2 приведены смоделированные с помощью Synopsys TCAD часть сечения мощного ДМОП-транзистора (рис. 2a), входящего в состав мощной ИС, и распределение температуры в данном сечении (рис. 2б) для режимов работы транзистора: напряжение «сток–исток» V_си = 20 В, плотность тока стока I_с = 2х10^-4 A/мкм. Видно, что максимальная температура (396,7 К) достигается в области стокового перехода транзистора. На рис. 2в приведены смоделированные выходные ВАХ данного транзистора с учетом (жирные линии) и без учета (тонкие линии) эффектов саморазогрева.

По полученным значениям максимальной температуры структуры транзистора в зависимости от его режимов работы, изменениям его характеристик с ростом температуры были определены параметры его электротепловой Spice-модели для этапа расчета всей схемы ИС.

Моделирование распределений температуры по кристаллу ИС, тепловых режимов и тепловых параметров компонентов на кристалле

Разработанное авторами ПО «Перегрев-МС» используется для трехмерного расчета температурных полей в кристалле микросхемы с учетом конструкции корпуса микросхемы и теплоотвода. Результатом моделирования являются распределения температуры по поверхности кристалла, тепловые сопротивления между компонентами и окружающей средой и их тепловые емкости. Полученные значения тепловых параметров компонентов используются затем в пакете схемотехнического Spice-моделирования для проведения электротепловых расчетов ИС. В качестве примера на рис. 3 представлены смоделированное с помощью программы «Перегрев-МС» (рис. 3б) и измеренное с помощью тепловизионной камеры FLIR A40 (рис. 3в) распределения температуры по поверхности кристалла интегрального стабилизатора напряжения 142ЕН9 для типового режима работы: U_вх = 40 В, U_вых = 27 В, Р = 7 Вт. Видно, что погрешность моделирования температуры не превышает 10%.

Рис. 3. Распределения температуры по поверхности кристалла интегрального стабилизатора напряжения 142ЕН9
а) при Uвх = 40 В, Uвых = 27 В, Р = 7 Вт:
б) смоделированное с помощью «Перегрев-МС»;
в) измеренное с помощью тепловизионной камеры FLIR A40

Электротепловые Spice-модели компонентов мощных ИС

Мощные транзисторы, используемые в выходных каскадах мощных ИС, работают при больших плотностях токов, больших напряжениях, больших рассеиваемых мощностях на единицу площади, что предъявляет специфические требования к их конструкциям и приводит к таким известным проблемам, как саморазогрев, тепловой пробой, сильная зависимость их параметров от температуры [12]. Это неизбежно приводит к изменению режимов их работы и должно учитываться на этапе схемотехнического Spice-моделирования. Вопросам рассмотрения моделей для мощных IGBT, биполярных и МОП-транзисторов посвящено достаточно много публикаций, но не все имеющиеся проблемы их моделирования решены. Особенно остро это чувствуется в отношении ИС отечественного производства, для которых их разработчики не предоставляют необходимые модели.

Авторами была разработана библиотека электротепловых Spice-моделей элементов мощных «разумных» ИС, учитывающих особенности их конструкций, и режимов работы [13]. Библиотека может использоваться не только с пакетами Eldo, System Vision (Mentor Graphics), но и с другими Spice-подобными симуляторами. Данные модели являются электротепловыми и позволяют учесть влияние эффектов саморазогрева на характеристики транзисторов. Пример такой модели для мощного МОП-транзистора приведен на рис. 4. Видно, что она состоит из электрической подсхемы (слева), описывающей собственно транзистор с зависимостями параметров его модели от температуры транзистора, и тепловой подсхемы (справа), включающей тепловое сопротивление R_t до окружающей среды T_ext и тепловую емкость С_t. В тепловую подсхему передается мощность G_pwr, рассеиваемая на транзисторе (нижняя стрелка), а полученное из тепловой подсхемы значение температуры T_int передается обратно в модель транзистора (G_ce), изменяя ее параметры (верхняя стрелка).

Рис. 4. Электротепловая модель мощного МОП-транзистора: электрическая (слева) и тепловая (справа) подсхемы

На рис. 5 приведены смоделированные с использованием электротепловой Spice-модели выходные ВАХ мощного МОП-транзистора мощной ИС с учетом и без учета эффектов саморазогрева. Наглядно видно уменьшение тока стока в области больших токов вследствие разогрева транзистора.

Рис. 5. Смоделированные с помощью электротепловой модели (рис. 4) выходные ВАХ мощного МОП-транзистора без учета (синий цвет) и с учетом эффектов саморазогрева (черный цвет)

Значения собственных и взаимных тепловых сопротивлений и емкостей элементов ИС схемы получаются из программы «Перегрев-МС», используя результаты расчета температурных полей по площади кристалла ИС.

Электротепловое моделирование аналоговых схем мощных ИС

На рис. 6 приведены результаты расчета с помощью пакета «Перегрев-МС» распределения температуры по площади кристалла ИС мощного (4,5 Вт) операционного усилителя (ОУ), изготовленного по биполярной технологии. Видно, что наиболее сильно греются мощные выходные транзисторы Q45, Q46, Q52, Q53. Значения тепловых сопротивлений этих компонентов схемы до окружающей среды и между собой были рассчитаны с помощью пакета «Перегрев-МС» и преданы в пакет Eldo схемотехнического анализа для электротеплового моделирования схемы. В таблице 1 приведено сравнение значений токов, мощностей и температур мощных компонентов схемы, полученных с помощью обычного Spice-моделирования (без учета электротепловых эффектов) и с учетом результатов электротеплового Spice-моделирования. Сравнение результатов наглядно показывает, что, с учетом эффекта саморазогрева, токи, мощности и температуры мощных транзисторов оказываются существенно выше.

Рис. 6. Смоделированное с помощью программы «Перегрев-МС» распределение температуры по поверхности кристалла мощного (4,5 Вт) ОУ

После разработки необходимых программ-конвертеров данная методика электро­теплового расчета может быть реализована с использованием других пакетов Spice-моделирования схем.

Логико-тепловое моделирование цифровой части мощных ИС

Цифровая часть мощных ИС, являющаяся именно «разумной» составляющей мощного модуля, также нуждается в особом тепловом моделировании. Так как отдельные транзисторы, составляющие цифровой блок, являются маломощными, а количество этих транзисторов весьма велико даже в несложных схемах, то электротепловое моделирование на уровне транзисторов (описанное выше) становится или мало полезным, или даже практически невозможным из-за возросшей сложности задачи. Поэтому для цифровых блоков применяется особый вид моделирования — логико-тепловое [14]. В рассматриваемой подсистеме оно осуществляется с использованием известной среды смешанного (аналого-цифрового) моделирования Questa ADMS фирмы Mentor Graphics. Для каждого логического вентиля строится тепловая подсхема (аналогичная той, что используется для мощных транзисторов, рис. 4). Для описания такой подсхемы на языке VHDL-AMS была разработана специальная библиотека логических элементов, имеющих дополнительные тепловые цепи.

Тепловые сопротивления и емкости логических элементов (так же, как и для других частей мощных «разумных» схем) рассчитываются с помощью программы «Перегрев-МС» по информации о топологии элементов.

Для расчета мощности, выделяемой логическим вентилем, он должен быть предварительно промоделирован в программе схемотехнического расчета, в результате чего определяются статические мощности элемента в состояниях логических «0» и «1» и энергия логического переключения (рис. 7).

Рис. 7. Учет энергии переключения логического вентиля:
а) результаты схемотехнического расчета мощности Р при переключении логического элемента;
б) аппроксимация мощности Р при переключении логического элемента для логико-теплового моделирования

Энергия логического переключения, определяемая как площадь под графиком мгновенной мощности (рис. 7а), учитывается при логико-тепловом моделировании в виде прямо­угольного импульса длительностью dtp (задается пользователем, по умолчанию — 25 нс) (рис. 7б), высота (A0) этого импульса подбирается автоматически так, чтобы площади под кривой Р (рис. 7а) и под прямоугольным импульсом Р (рис. 7б) были равны.

При соблюдении этих условий температуры разных частей цифрового блока «разумной» ИС могут быть рассчитаны в зависимости от временной диаграммы работы блока, что дает возможность моделировать тепловые режимы непосредственно реализуемых аппаратурой алгоритмов, а не средние или наихудшие варианты.

Для примера на рис. 8 приведен фрагмент топологии цифровой ИС с рассчитанными изотермами. Фрагмент состоит из четырех восьмибитных счетчиков. Размеры каждого разряда счетчиков 10×10 мкм², расстояние между разрядами 20 мкм, между счетчиками — 40 мкм. Мощность каждого разряда при переключении 2,56 мВт, мощность в установившемся режиме равна нулю. Параметры входного импульса: период — 20 нс, длительность — 10 нс, длительность переднего и зад­него фронтов dtp = 1 нс.

Номера и значения изотерм даны в верхней строке рис. 8, температура указана в °С. Расчет сделан с помощью программы «Перегрев-МС».

Рис. 8. Фрагмент цифрового блока ИС — четыре восьмиразрядных счетчика: топология и рассчитанные изотермы

Результаты логико-теплового расчета (рис. 8, табл. 2) показали, что температура разряда счетчика определяется частотой переключения и местоположением данного разряда: младшие разряды (имеющие меньший номер в таблице 2) счетчиков переключаются чаще всего и поэтому сильно греются и греют окружающие области кристалла, тогда как старшие разряды переключаются редко, выделяют мало тепла и их температура определяется растеканием тепла от младших разрядов. Время установления стационарной температуры составило от 0,12 до 0,18 мс для различных разрядов.

Электротепловое проектирование сенсоров — датчиков температуры мощных транзисторов

Преимущества «разумных» ИС реализуются во многом благодаря созданию схем температурной защиты силовых элементов схемы. Базовыми элементами таких схем являются датчики температуры, встраиваемые в конструкции мощных приборов.

В качестве сенсоров температуры могут использоваться как биполярные, так и МОП-транзисторы с малыми размерами. В практических схемах чаще применяются приборы на основе p-n-перехода (биполярные транзисторы, диоды). Они имеют существенные преимущества перед МОПТ по таким параметрам, как чувствительность и стабильность в широком диапазоне температур [17].

Наиболее часто встречаются сенсоры двух конфигураций: точечные (в виде окружностей или квадратов и прямоугольников малого размера) и полосковые (в виде длинных узких полос). Для точечного сенсора в качестве основной выходной информационной электрической величины, определяющей температуру, используется напряжение V_БЭ прямо­смещенного эмиттерного p-n-перехода.

Размещение сенсоров температуры в конструкциях мощных элементов ИС является, как правило, нетривиальной задачей [17]. Желательно разместить p-n-переход — сенсор на локальном участке полупроводникового кристалла с максимальной температурой. Исходной информацией для размещения и анализа работы тепловых сенсоров служит распределение температуры в кристалле ИС, полученное методами, описанными выше. Полосковые сенсоры обеспечивают большую точность измерения температуры мощного элемента, чем точечные, но при их размещении и анализе работы необходимо учитывать ряд эффектов:

• падение напряжения на p-n-переходе от токов базы и эмиттера, протекающих вдоль полосы эмиттера — сенсора;
• возникновение дополнительной термо-ЭДС, обусловленной градиентом температуры вдоль полосы сенсора, так называемый эффект Зеебека [17].

Для учета указанных эффектов необходимо использовать электротепловую модель участка ИС с сенсором температуры. Для решения этой задачи и целей оптимизации расположения сенсоров температуры с учетом указанных эффектов авторами была создана программа «Перегрев-сенсор» [18, 19].

На рис. 9 показана топология стабилизатора напряжения 142ЕН9, упоминавшегося выше, и рассчитанные изотермы на поверхности микросхемы. Полосковый датчик температуры размещен внутри мощного выходного транзистора. Результаты моделирования показывают, что максимальная температура достигается в середине датчика. Это подтверждает его правильное месторасположение. Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами тепловизионного анализа данной микросхемы, приведенными на рис. 3в.

Рис. 9. Топология стабилизатора напряжения 142ЕН9 (рис. 3а) с датчиком температуры линейного типа и смоделированные с помощью программы «Перегрев-сенсор» изотермы на поверхности микросхемы

Верификация результатов электротеплового и логико-теплового проектирования мощных ИС с помощью тепловизионной камеры

Экспериментальное исследование тепловых режимов и полей в ИС в рамках данной подсистемы производится с помощью тепловизионой камеры А-40 фирмы FLIR с использованием макролинзы с разрешением 17 мкм [21]. Известно, что для точного определения температуры объекта необходимо знание коэффициента излучения его поверхности. Фирменное ПО указанного тепловизора не позволяет определить коэффициент излучения каждой точки тепловизионного изображения.

Нами была разработана программа IrDataProc коррекции результатов тепловизионного исследования электронных компонентов за счет учета реальных коэффициентов излучения исследуемых объектов [10]. Вначале исследуемый объект (кристалл микросхемы) в выключенном состоянии фиксируется при заданной температуре за счет обдува воздухом с этой температурой. Снимается его тепло­визионное изображение, программе указывается фиксированная температура, и программа рассчитывает свой коэффициент излучения для каждой точки изображения. Эта карта коэффициентов излучения сохраняется и используется на следующем этапе, когда исследуемый объект включается в свой рабочий режим и снимается его тепловизионное изображение. Поскольку для каждой точки изображения установлен реальный коэффициент излучения, то точность определения температуры различных областей объекта при этом существенно повышается. Пример тепловизионного изображения кристалла интегрального стабилизатора напряжения был приведен на рис. 3в.

При необходимости данная подсистема может быть реализована с использованием других систем топологического и схемотехнического проектирования за счет написания соответствующих вспомогательных программ-трансляторов.

Заключение

Реализованная в рамках системы проектирования ИС фирмы Mentor Graphics подсистема электротеплового проектирования мощных «разумных» ИС имеет следующие возможности:

• расчет тепловых полей внутри компонентов ИС и по поверхности кристалла ИС, получение тепловых параметров (тепловых сопротивлений и емкостей) компонентов ИС;
• формирование электротепловых Spice-моделей мощных транзисторов и логико-тепловых VHDL-AMS моделей цифровых элементов, изготовленных по биполярной, МОП, ДМОП и др. технологиям, с учетом их расположения на кристалле и конструкции кристалла;
• электротепловой расчет аналоговых фрагментов и мощных элементов схемы ИС;
• логико-тепловой расчет цифровой части схемы ИС;
• тепловой расчет всей ИС;
• верификация результатов проектирования за счет использования средств тепловизионного анализа.

Такой электротепловой расчет мощных ИС позволяет повысить качество их проектирования, дает возможность оптимизировать схемотехнические решения, топологии и режимы работы элементов на кристалле и их взаимное расположение.