基于张量分析网络的封装互连电热分析

作     者：吴德航 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘洋

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：互连 电热响应 张量分析网络 RC等效热路 电热敏感度 

摘      要：为了满足电子设备小型化的需求,半导体的制程与工艺不断提升,在集成电路特征尺寸不断缩小的同时,其规模却不断扩大,片上系统实现的功能也越来越多。为了保证晶片与外围电路及其它系统的正常通信与数据传输,封装及互连技术在不断地发展,然而随着互连特征尺寸的缩小,尺度效应导致的互连电阻增大越来越明显,单位面积下的互连密度也越来越大,互连的发热问题开始逐渐凸显。发热会影响电路的整体性能,降低电路的稳定性以及可靠性,甚至导致电路损毁造成安全隐患。因此,在封装互连的设计过程中采用精确高效的方法准确计算互连电热响应,对指导集成电路封装互连设计具有十分重要的意义。 本文提出了一种基于张量分析网络(Tensorial Analysis Network,TAN)的互连电热响应快速计算方法,该方法使用了集总元件来构建互连结构的热路模型,给出了多层互连结构的通用等效热路模型,研究了互连参数对互连可靠性的影响。第一,用热容及热阻的相关理论,建立并分析了多阶RC等效热路模型,结合TAN方法对互连线上的瞬态温度响应情况进行了快速的求解,既提升了计算的效率又提高了精度。第二,对于多层多激励的互连结构,提出了通用的等效热路模型,研究了该通用等效热路模型阻抗算子的快速获取方法,即便是复杂的多层多激励互连结构也可以快速构建其等效热路并获取其阻抗算子,实现了多层互连结构在多激励情况下电热响应的并行与耦合计算。第三,使用这一方法进行了互连结构电热敏感度的分析,研究了互连结构的尺寸参数及热参数变化对电热响应的影响,研究了散热对互连温度响应的影响,在此基础上又研究了不同散热情况下的多层互连结构最优层叠排布,对互连结构的设计具有一定的指导意义。 本文提出的基于张量分析网络的快速计算互连电热响应的方法具有以下优势:1)与热场分析方法相比,本文提出的方法在精确度相近的情况下显著提高了效率,节省了99%的计算时间;2)与传统的热路等效模型方法相比,本文提出的方法在具有同等效率的同时还提供了多层、多激励、耦合及并行运算的支持;3)本文给出的互连结构通用热路模型,对各种互连结构都具有良好的普适性,降低了热路建模的难度,提高了热路建模的效率,可以对任意层叠结构互连的设计和优化提供指导。