【摘 要】
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现代集成电路朝着超大规模方向发展,芯片的特征尺寸不断逼近理论极限,堆叠层数也不断上升。由于芯片体积有限导致芯片的单位面积产热率不断增加,从而工作温度升高。芯片温度过高会导致系统可靠性降低,同时也会减少芯片的使用寿命。芯片的散热问题成为当前的难点之一,并随着硬件设备的性能提升而亟需解决。因此能够快速,高效的对芯片器件建模仿真来指导其散热设计意义重大。目前市场上对芯片器件的电磁场与热场仿真的软件大部分
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现代集成电路朝着超大规模方向发展,芯片的特征尺寸不断逼近理论极限,堆叠层数也不断上升。由于芯片体积有限导致芯片的单位面积产热率不断增加,从而工作温度升高。芯片温度过高会导致系统可靠性降低,同时也会减少芯片的使用寿命。芯片的散热问题成为当前的难点之一,并随着硬件设备的性能提升而亟需解决。因此能够快速,高效的对芯片器件建模仿真来指导其散热设计意义重大。目前市场上对芯片器件的电磁场与热场仿真的软件大部分通过有限元方法来建模以及求解。但是三维集成电路（Integrated Circuit,IC）模型建模会出现多尺度的现象,如硅通孔（Through Silicon Via,TSV）的绝缘层、场效应管沟道之间的间隔相对硅基衬底的尺寸而言相差多个数量级。在对芯片进行建模仿真时的多尺度问题会使网格的自由度过大而导致难以计算。因此只能针对芯片的局部进行仿真或简化结构计算。尽管如此,在局部仿真和化简时,仍然需要不断提高算法的计算效率,减少计算时间。区域分解方法（Domain Decomposition Method,DDM）能够实现非相容网格条件下求解的稳定性,更能适应多尺度条件下的多物理场耦合计算。本文主要围绕如何快速对芯片的热分析进行建模及计算,工作的主要内容为:（1）实现了基于内罚方法的传输条件,该方法在处理不连续网格条件时,能够满足温度与热通量在不相容的网格区域之间的连续性;（2）在非相容网格形成的子域矩阵中,实现不同子域之间的计算解耦合,不必组成整个系统的稀疏矩阵,因此在矩阵求解上能够更加迅速;（3）根据校正项和预测项的温度误差来动态控制步长变化。在初始时刻的温度梯度较大,迭代步长小,在温度趋近稳定时,迭代步长大。在满足相对误差的条件下,自适应步长可以减少计算迭代次数,节省计算时间。最后,本文通过研究多个微电子器件的系统级仿真案例,验证了恒温、对流等常用边界条件下,本方法的数值精度、计算效率以及稳定性,以便确定数值结果的可靠性并对运行误差做出了详细分析。
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