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確保自駕車可靠性 車電元件模擬至關重要

隨著車用電子的角色從娛樂轉為協助駕駛人,進而完全掌控車輛,對可靠度的要求亦越來越高。關鍵車用電子系統至少要有10年的壽命,處於引擎蓋下的環境也很惡劣,溫度可高達攝氏150度。而模擬工具可幫助工程師針對電子系統進行模擬、除錯與最佳化,涵蓋可能導致自駕系統故障的各種議題。同時,模擬有助於設計可靠高效率的電子系統,以滿足自駕應用的嚴格可靠度要求。本文將聚焦在可靠度和晶片-封裝-系統CPS)模擬的各個層面,有助於催生封裝/系統感知積體電路IC設計和IC感知封裝/系統設計(圖1)。 圖1 運用模擬工具RedHawk-CTA和Icepak進行晶片-封裝-系統熱可靠度分析。 可靠度為自駕車設計主要挑戰 現在的駕駛人越來越仰賴電子系統確保安全性,像是近來盛行的先進駕駛輔助系統(ADAS)功能,進一步提升電子設備對車輛安全的重要性。當然新興的自駕系統,能瞭解每一個能夠想到的駕駛情境,並做出判斷,確保車輛乘客行人的安全,將進一步增加駕駛、乘客和行人安全對車用電子的依賴。 現在有很多車用電子皆使用較舊的半導體製程,因為其特徵尺寸較大以及設計師的經驗,這些應用的可靠度相對上較容易驗證。但ADAS和自駕科技使用的感測器會產生大量數據,處理速度必須超快,延遲亦需要很低。這些應用需要大幅提升運算能力,因此必須使用剛上市的最先進半導體製程,其特徵尺寸也小得多。 以先進製程設計的新一代積體電路將更多電晶體壓縮到更小的面積上,提供最高運算效能。這些IC運作的供電電壓要低得多,因此更容易受電源和訊號雜訊耦合的影響。在許多情境下,這些半導體需在溫度可達攝氏135度的引擎蓋下運作,因此更容易因高溫導致故障,這亦是一大挑戰。而許多車用電子會暴露在水和塵土下,所以必須密封,進一步增加散熱挑戰。因此如何提供足夠冷卻的難度亦增加。 強化晶片可靠性 電子飄移現象須消除 由於支援ADAS和自駕的車用電子須採先進製程,其普級化使電子飄移(EM),使用期限的可靠度問題,成為關鍵的系統設計議題。電子飄移指的是電子流經積體電路並撞擊導體內的金屬原子,逐漸造成開路或短路,長久下來將導致晶片故障。由於導體的橫切面隨著製程的引進而縮小,晶片變得更容易受到電子飄移影響。電子飄移的現象亦隨著溫度大幅上升,先進2.5D和3D積體電路使得晶粒(Die)愈放愈近,產生熱點(Thermal Hot Spots)的機率亦隨之升高。 我們通常不知道晶片上各導體的溫度,因此設計工程師會替晶片假設一個最壞狀況的均勻溫度。此做法對較舊的製程夠用,但現在先進製程轉換速度更高、導體更細、層數更多,使用此方法大幅地增加EM違規現象(EM Violations)。設計團隊花在評估與修正這些違規的時間亦越來越長,但是如果模擬採用正確的非均溫度剖面圖(Temperature Profile),即能發現許多EM違規現象是假的並且絕對不可能被觸發。 為此,模擬工具如安矽思(ANSYS)旗下的RedHawk平台藉由準確地決定元件和金屬周遭的溫度,正確預測EM違規現象,來處理這些挑戰(圖2)。該平台運用焦耳自加熱(Joule Self-heat)和晶片內金屬導體間的熱耦合原則來製作升溫模型,元件溫度是各電晶體耗電流量以及與鄰近電晶體距離的函數;並運用晶圓廠的製程參數,加上晶粒上金屬和介電質(Dielectric)的熱特性,正確預測局部區域的溫度變化。 圖2 以ANSYS RedHawk-CTA進行晶片和封裝熱分析  另外,該平台亦根據晶片上各導線實際經歷的溫度,運用溫度剖面圖來進行熱感知(Thermal-aware)EM查核。此做法能大幅減少EM違規現象的數量,提供的診斷資訊亦遠多於過去。工程師能將精力集中在真正重要的EM違規現象上,並更快修復,大幅減少產品上市時程並降低EM故障風險。 提升車用電子可靠性 熱效應不容忽視 熱效應是確保關鍵車用電子可靠度的另一個重要考量。就晶粒和封裝層次而言,工程師必須確保整個晶片的溫度絕對不會高過最高運作溫度,同時也必須評估運作時的熱週期,因為晶圓和金屬層的熱膨脹係數(Coefficients of Thermal Expansion, CTEs)不同,此會導致晶粒和封裝變形。 另外,電路板層級的熱週期亦可能因為銅和介電質之間的差異造成壓力,變形會造成連接電路板和晶片的錫球(Solder Ball)伸縮,可能導致焊錫疲勞(Solder Fatigue)和其他故障。 因應此一需求,車用電子元件的設計工程師,能夠運用ANSYS晶片熱模型(Chip Thermal Models, CTMs)處理晶粒層級的熱可靠度問題,進而達成完整的晶片與封裝共同分析。 接著,ANSYS Mechanical能夠沿用分析的溫度剖面圖,進一步預測晶粒的熱或機械負載對壓力、張力,以及變形的溫度影響。 就電路板層次而言,能夠用ANSYS SIwave Signal Integrity Analyzer計算印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)電路和鑽孔(Vias)的焦耳熱,評估電路板電路圖和電流密度預測。無縫銜接至Icepak系統層級熱模擬工具,計算主機板的垂直熱傳導率(Orthotropic...
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