机载电子芯片热模型研究

机载电子芯片热模型研究

孙倩1王宁2亢敏3

（1．西安航空制动科技有限公司710065；2．陕西中试电力科技有限公司710074；3．西安航空制动科技有限公司710065）

摘要：现阶段，机载电子信息系统当中较为普遍的热源之一就是机载电子芯片，这两者之间有着十分紧密的关联，其次，在进行系统产热量的估算时，机载电子芯片上产生的热量也是最为重要的参数，当然，它也是不能缺少的一部分。但是目前为止，在电子芯片制造的过程中，部分制造商制造出来的芯片发热参数并不是十分的完美，这就导致芯片发热的参数无法达到相应的标准，一旦在运行专用程序时出现非满负载的情况，那么芯片就会受到一定的影响，比如：芯片发热量过大，而芯片额定的发热量不够，这就导致芯片的发热量无法达到额定的发热量。针对以上问题，我们应该尽可能的减小散热冷却系统的规模，所以，本篇论文中主要研究的内容就是芯片发热的机理以及芯片的封装特性。

关键词：芯片；发热量；散热冷却系统；机载电子芯片

一、电子芯片热模型研究的理论基础

（一）芯片的发热机理

随着社会的飞速发展，科技的进步也变得越来越快，根据摩尔定律我们可以看出，在不久的将来，芯片的发展趋势将向着小型化、密集化等方向发展，另外，随着芯片的发挥在那趋势变得越来越快，其性能也会在一定程度上得到提升，并且每个18个月，IC上可容纳的晶体管数目就会扩大一倍。但是随着制造工艺的不断提升，很多问题也随之出现，现在在制造工艺当中存在的较为突出的问题就是功耗问题，由于芯片需要较大的功耗，而机载电子设备的核心就是发热元器件，所以在进行相关的设计时，我们必须尽可能的对散热装置进行最优化的处理。针对上述问题，我们以此展开了研究，并且对机载电子芯片的发热机理进行了较为深入的研究，在研究过程中，热量估计是我们采取的主要估算方法，这样的估算方法堆积整机工程人员来说有着十分重要的作用。在计算机系统当中，CPU作为一个核心部件起到的作用也是至关重要的，它的构成条件主要包括以下几种：运算单元以及控制单元等等。另外，CPU在进行程序执行时，通常要通过以下逻辑单元共同完成：寄存器组、指令译码等。其次在进行程序执行的过程中，CPU首先要做的工作就是在内存当中写入运行程序，这样可以有效的实现程序制定功能。由于每个CPU所具有的构架都是不同的，所以在进行运行时，CPU必须具备不同的语言程序，由于一些高级语言程序都会被进行编译，最终成为二进制的机器代码，所以这就极有可能引起热功耗。

（二）芯片热功耗的数学模型

如图1所示，Cload作为电路转换中的主要负载电容，其发挥的作用也是十分巨大的，从另一个方面来说，状态转好功耗就是负载电容在充放电时所消耗的功率，一般驱动单元输出节点发生变化，主要就是因为上述原因引起的。通常在CMOS的电路中，状态转换功耗就是其功耗的主要来源之一。通过对图1进行分析我们可以看出，在进行转换时，P管以及N管会在一个较短的时间内产生导通，这就会导致电流流向GND。一般在芯片的功耗组成当中，动态功耗所占的比例是非常巨大的，正常情况下它可以占据80%或者90%的功耗。与动态功耗不同的是，当处于非工作状态时，静态功耗就会随着半导体工艺的进步而发生不同程度的减小。

图1COMS电路动态功耗的组成

二、芯片的封装模型简介

（一）倒装芯片

20世纪60年代，IBM首次引进了芯片链接这种先进的技术，而作为一种较为先进的表面贴装形式，倒装芯片技术起到的作用也是至关重要的，它可以有效的将集成电路芯片的源表面与IC芯片进行连接，从而使芯片与基板之间形成一种互联的关系。

（二）传统封装

一般来说，IC封装的引脚排列所拥有的类型十分的繁多，所以我们可以按照芯片贴装到电路板上的方式对其进行划分，划分后的类型主要分为通孔插装以及表面贴装。其次，封装分类主要是按照芯片的外形来决定的，对于封装分类来说，芯片的外形起着至关重要的作用。

三、基于反求工程方法验证模拟功耗

（一）功耗模拟计算正确性的验证方法

在科研实践的过程中，最为重要的研究方法之一就是反求工程。通常情况下，芯片的内部结构都是十分复杂的，要想直接对运行时的主要发热区进行确定那是具有一定难度的，而且我们也无法直观的进行确认，所以为了确定芯片内部的热源，我们就必须对芯片的表面温度进行测量，之后再利用反求工程来确认芯片的内部热源。一般来说，温度的分布主要是和热源分布有着密不可分的关系的，一般温度在进行传递的过程中，热源并不是按照固定的方向进行传递的，它的传递方向普遍为四周传递的形式，这就导致标定点与热源的距离会变得不同，但是温度的高低却是不变的。

（二）一般性验证方法

一般来说，Flotherm热模型运算和Matlab数值运算在反求热源的矩量法当中起着十分关键的作用，在进行相关的矩量法时，这两者必须交互进行。其次，为了使仿真模型得出的结果更为精确，操作过程中，对模型仿真参数进行严格的把控就是我们必须做到的一点，而把控的标准主要应该以芯片手册当中的数据为主，另外，标定的主要内容应该以最大功耗所提供的结点温度为准。其次，为了尽可能的满足实验要求，我们必须做到以下几点，即：按照要求设定边界条件、强迫风冷等等。另外，为了确定热源的位置以及准确得出模型参数，在进行风扇高度以及位置设定时，必须按照相关的温度标准来进行设定，最好是达到芯片手册上的相关要求标准。

在进行Dsswattch模型更改时，我们主要需要从两部分进行：第一，对配置进行更改。第二，工艺的更改。在进行工艺更改的过程中，我们必须做到的包括以下几点：芯片主频的更改以及制造工艺的更改。最后，我们还需要结合芯片的特性，既：工艺发展以及电学特性，之后在根据芯片手册当中的估算方法来进行相关的操作，估算方法最好和实践应用较为贴近。据图如表1所示。

表1验证过程

结束语

综上所述我们可以看出，随着社会的不断进步，国防工技术的发展速度也变得越来越快，现在对于航空航天产品的芯片控制已经变得更为先进、科学，随着社会的发展，现有的航空控制芯片已经经历了多次的更新换代，其尺寸也比传统的芯片不同，变得更为小巧，其所具备的功效也变得越来越多。另外，在进行芯片热模型建立的过程中，为了保证其准确性，而采用电子芯片热功耗的估算方法就可以有效的保障其准确性，而且这种估算方法具有十分重要的影响作用。

参考文献

[1]周国发,宋佳佳,王梅媚.塑封成型过程芯片热-流-固耦合变形机理数值模拟研究[J].中国塑料,2016,(07):62-68.

[2]张明.众核芯片热建模与功耗管理技术研究[D].电子科技大学,2016.

[3]马健.高性能众核芯片动态热管理技术研究[D].电子科技大学,2016.