本文描述了一種直接集成到芯片設(shè)計流程中的詳細(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。
如今，集成電路的設(shè)計趨勢正朝著在同一塊芯片內(nèi)集成越來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、汽車電子、智能電源芯片和無線產(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設(shè)計中進(jìn)行集成，會導(dǎo)致裸片中的功率密度增加，由于這些不同的電路會產(chǎn)生熱量，這就會引發(fā)溫度問題。
芯片架構(gòu)設(shè)計師、電路設(shè)計師和布線設(shè)計師正面臨著越來越大的壓力，因為他們必須準(zhǔn)確掌握其設(shè)計中的溫度變化情況以及這些變化對電路性能和可靠性會帶來怎樣的影響。本文描述了一種直接集成到設(shè)計流程中的詳細(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。
對溫度梯度的現(xiàn)有理解
估計IC芯片結(jié)溫的一般方法是利用精簡封裝模型，其中包括給定封裝的結(jié)溫、環(huán)境溫度，允許功耗以及此封裝的熱阻(R?JA，junction to ambient)。不同的精簡封裝模型中可能會有幾個熱阻，但這類模型的應(yīng)用都涉及到圖1中所示的一個線性方程。
精簡模型下的結(jié)溫
功率源的分布狀態(tài)會導(dǎo)致結(jié)溫變化，但精簡封裝模型無法捕獲這種變化所造成的影響。通過使用單一的總功率數(shù)字，產(chǎn)生的結(jié)溫被假定為單個（通常是壞情況）數(shù)字。事實上，功率源是分散的，當(dāng)考慮它們的綜合影響時，會出現(xiàn)以下兩個重要問題：
(a)結(jié)溫變化，這導(dǎo)致電路單元之間產(chǎn)生溫度梯度
(b)結(jié)溫會超出精簡模型計算得到的數(shù)字

給出的是，在為實現(xiàn)芯片的某個特定工作模式而選用的模塊與器件的實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)存在幾個溫度值。溫度的總平均值和基于精簡模型計算得到的溫度相近。但前者一般更高，因為控制相連熱源的公式是非線性的，而精簡模型認(rèn)為是線性。結(jié)的溫度可能會高很多。

不經(jīng)過熱分析，設(shè)計師不可能在項目早期就知道真正的結(jié)溫，這會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（以保證芯片在實際工作溫度下足夠可靠）。
應(yīng)該更好地理解溫度梯度對芯片的影響
溫度會在不同程度上影響二極管、電阻、電容和晶體管等電子元件。而混合信號設(shè)計越來越需要在內(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，這會極大增加芯片的溫度梯度。因此設(shè)計師需要考慮溫度梯度對整塊芯片造成的影響。
模擬設(shè)計對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，這類電路的布線必須嚴(yán)格遵守電路的對稱特性，這就使了解溫度分布情況變得更加重要。由熱引起的設(shè)計問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放的直流增益損耗。
熱分析的實用性
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就能看出對整塊芯片進(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)定溫度的改變無關(guān)。帶隙參考電路是IC設(shè)計中應(yīng)用廣泛的電路之一，在DRAM和 flash存儲器、模擬器件中都有應(yīng)用。
帶隙產(chǎn)生的電壓應(yīng)與溫度無關(guān)，這個電壓是通過這樣的方式產(chǎn)生的：在一個隨溫度上升而下降的電壓(稱作相反于溫度，簡稱CTAT)上加一個隨帶隙電路元件的溫度上升而升高的電壓(稱作正比于溫度，簡稱PTAT)。CTAT電壓是通過對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電壓則利用兩個雙極性晶體管的基極－發(fā)射極電壓差產(chǎn)生。這兩個雙極性晶體管雖然流過的總電流相等，但二者的基極－發(fā)射極電壓大小不同。 這里的一個基本假設(shè)是PTAT電路中的器件所在區(qū)域是一個等溫區(qū)。但考慮到整個芯片上復(fù)雜的溫度變化，這個假設(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PTAT晶體管之間存在溫度梯度時，帶隙電路就無法正確工作。但如果能在設(shè)計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，那么就可以通過將帶隙電路沿等溫線布置來防止其出錯。下文介紹的溫度感知(temperature-aware)功能一個目的就是在模擬電路的設(shè)計過程中提供這類信息，以防止帶隙電路出錯。
當(dāng)帶隙電路中晶體管之間的溫度差不到幾攝氏度時，溫度傳感器這類電路就不能正常工作，而在一些汽車應(yīng)用中，裸片上的溫度梯度可能超過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、計算機(jī)以及電池的監(jiān)控功能部分，在蜂窩電話的振蕩器漂移補(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，溫度梯度變得越來越難以預(yù)測。通常我們會在一塊測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法反映出溫度或溫度梯度。這可能導(dǎo)致由測試芯片產(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。

常規(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溫度進(jìn)行一階補(bǔ)償，當(dāng)參考電壓較低時，溫度的影響就更大，就需要額外的電路來進(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，以避免由溫度造成的電路故障，就變得日益重要起來。
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，模擬電路的布局過程就需要一個能夠顧及器件失配、串?dāng)_、設(shè)計規(guī)則和溫度等約束條件的反饋回路。但不經(jīng)過詳細(xì)的熱分析，無法得到基片上的等溫線，因此在大多數(shù)如今的設(shè)計中，這個反饋回路在制造和測試之前往往并不閉合。說明了在未經(jīng)熱分析的情況下，因為沒有正確地估計溫度梯度，利用標(biāo)準(zhǔn)公共質(zhì)心布線法來決定溫度傳感器的位置會產(chǎn)生怎樣的問題。
該例中，對電路進(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放在暫態(tài)分析上。有時，集成器件的熱時常數(shù)(通常在毫秒級)會影響其電行為，因此需要進(jìn)行暫態(tài)熱仿真并研究熱時常數(shù)對器件暫態(tài)電行為的影響。然而對整個芯片進(jìn)行全面熱分析(采用直接方法)需要花費長的驚人的時間。進(jìn)行全芯片級暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱效應(yīng)分析有一種更有效的方法，那就是讓一個熱分析引擎與一個電路仿真器在某些離散時間點上進(jìn)行交互。
將熱分析集成進(jìn)設(shè)計流程
描繪了一個模擬設(shè)計的設(shè)計環(huán)境。溫度分析通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式集成到設(shè)計流程中。設(shè)計數(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。
熱分析的輸出用來更新單個器件以及連接區(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)計格式)和物理實例之間進(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)用來捕捉熱量對電路行為的影響。穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)問題都可以利用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)計問題不斷增加。在設(shè)計階段進(jìn)行片上熱分析的需求不斷增長，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)計流程就使設(shè)計師能夠在設(shè)計早期檢測并修復(fù)與熱量相關(guān)的問題。熱問題一旦檢測出來之后，可以通過幾種方式解決，例如布圖規(guī)劃調(diào)整或改進(jìn)芯片封裝。利用每個器件的溫度以及溫度梯度信息，設(shè)計師就能在流片之前確定其設(shè)計的性能和正確性，從而避免出現(xiàn)代價高昂的芯片失效和設(shè)計返工。