Asuka小讲座番外篇之集成电路发热的微观研究

Asuka · 发表于 2012-5-19 12:36

本帖最后由 Asuka 于 2012-5-20 21:39 编辑

这个话题最近真心火爆，虽然Asuka应该出的是光刻技术的加强版，但借着这么好一个时机，Asuka还是出一个CMOS制程技术的番外篇，名字是大规模集成电路发热的微观研究。其实，石大一直有希望我可以从理论层面去解释这次Ivy Bridge发热的微观原因，但这个问题涉及的要素实在太多，从我们这些产品使用者的角度又很难通过具体实验去探个究竟，所以我们只能去进行猜测，多种猜测，只是这个结论，恐怕难以下定。就如同半导体加工这个产业，整个工艺流程涉及化工，材料，电子，光、电、磁，机械，控制等，几乎所有代表人类最尖端科技水平的专业。
同样，从Ivy Bridge展开，到底芯片的发热由何产生，错综复杂，可能性颇多，Asuka今天就尽量为大家全面介绍各种可能性，把逻辑梳理清楚。首先，就从发热的产生开始吧！

Heat Generation，热的发生
这个部分异常复杂，简单说来，在场效应管的沟道(channel)区，也就是源极(source)和漏极(drain)之间，尤其是接近drain的部分会有一个很大的侧面电场，电场加速了这里的载子，以电子为例讨论，电子增加了能量，电子在材料中散播的方式有很多，但是仅仅通过和晶格的震动耗散能量，这就是热能的来源，也就是焦耳热的基础形式。看似和大家所熟悉的焦耳第一定律Q=(I^2)*R有相当大的差距，的确，由于半导体的特殊性，这部分发热的公式如下，由于实在非常非常复杂，就列给大家看下好了。

H为每单位体积内的焦耳发热率，第一项中，J为电流密度，E为电场强度；第二项中，R-G是电子电洞对重组合(Recombination)和产生(Generation)之差，EG是晶体管的带隙(bandgap)，kB为波兹曼常数，T是晶格温度。简单分析下，第一项类似传统的焦耳热，第二项中的T可以理解为这个发热过程是越来越热的，这就解释了，为什么半导体必须尽快散热。这就涉及今天要探讨的第二块，也是面对我们今天Ivy Bridge发热中更加重要的一个部分，热的传导。当然，晶体管之间的导线同样也会发热，这个基本可以沿用焦耳定律分析。

Heat Transport，热的传导
热的传导就相对简单，这里列一些材料的导热系数，

整个集成电路基本只分布在晶圆之上几微米的空间里，就目前的体硅(Bulk Silicon)半导体工艺而言，热量基本上通过Bulk Silicon耗散。就如开核以后看到的die，厚度还是可见的，所以几乎可以无视上面的电路那点厚度，完全可以将其理解为一个自发热的整体，所以直接将散热器压在上面是make sense的，不过提醒大家一句，脆性表面，很容易损坏的哦，这也就是为什么要封装成我们平时看到那样子的一个原因，并且，电路就在表面下面一点点的空间里，给一刀几乎必定挂，自重啊！然后呢，仅就目前这个趋势，我们来看张图。

注意哦，纵坐标怎么长的，这张完全可以看做摩尔定律的副作用，很遗憾，也很容易理解，就是应该这么涨，怎么不是工资，偏偏是物价呢！（啥？）
但正如Asuka之前所说，副作用可不仅仅是发热，随着晶体管越做越小，其他恶化效应相对发热来说更加棘手，所以，包括High-K，Low-K，FinFET，Cu Interconnect，SOI等等，都是从不同角度出发去抑制不同问题发生的技术。这里有一个陌生的东西，之前并没有和大家提过，就是Low-K dielectric，简单和大家介绍一下就好，晶体管之间的绝缘物在整体尺寸缩小时，会开始储存电荷，类似电容，从而发生串扰，那就要去降低这种Coupling Capacitance or Parasitic Capacitance，就是寄生电容，所以就需要相比传统二氧化硅更低相对介电常数的材料，这就是Low-K技术想解决的问题。但是，Low-K会有诸多问题，比如不易进行蚀刻，电稳定性较差（回头会提），且大部分材料是多孔的，导热性能很差，行，这是影响发热之一。不着急，还多着呢！
然后我们来看SOI，就如之前介绍的，SOI是Silicon on Insulator，绝缘物上硅，相比传统体硅，需要先在晶圆表面之下一定范围内打进氧离子，强制氧化一层硅产生二氧化硅（绝缘体），但是上表中也有写二氧化硅的导热系数和体硅比较，我想应该一目了然了吧！
然后是nanowire，也就是晶体管之间的连线，这些导线一直被我们当作是电路中很理想的元件，但是也是元件，之前Asuka提过，在.13Micron的制程时，铝导线被换成了铜导线，这无疑是加大成本的动作，但是为什么会被采用呢！正是因为这渺小的导线，在不断微缩的制程下，逐渐体现了其存在感，让你们无视我！╭(╯^╰)╮！
接下去到了今天的重点，也就是Ivy Bridge相对于Sandy Bridge最大的一个工艺改变，FinFET a.k.a. 3D Trigate。基本我们可以把它猜做Ivy Bridge表现的最大可能之一了。我们先看图回顾一下，

如大家所见，Trigate，三重门（喂！）正是这样包裹在了晶体管发热的部分之上，那我们来看看，真是曝光的电子显微镜下的FinFET，这也是不久之前才被验证的，Intel确实采用了FinFET技术的证据，这是一个E3-1230V2的正式版。

上图中看到了，Gate材料是Silicon Germanium，锗化硅。然后么，大家去对照下表格吧！我想剩下的也不用我说了吧！多好的一条被子啊！真暖和！
最后，我再简单提一下刚才提及电稳定性，让大家知道下发热的后果。首先，加在晶体管上的一次性的大电压，这个很好理解，击穿或者雪崩的崩溃方式华丽得一B 。然后是长期的高温的影响，对于内部连线的影响，最大的瓶颈在于Electromigration（以下简做EM），怎么说的呢？金属为什么成为良导体的原因，高中有教过，因为金属中存在自由移动的电子，电子的移动就行程了电流，而除了电子之外的金属离子则成为保持金属固体的框架的存在，然而，在长期大密度的电子风暴席卷导体的时候，这些金属离子就开始呈现不稳定的姿态，有些就被剥落然后被电子风暴卷走了，久而久之，固体框架凋零，直至某一天断路！好酷，有没有觉得，%>_<%！这种现象很难被分析，所以我们用一个Black’s Equation来概括，验证金属导线的可靠性！

这个就是公式，左边的MTTF是mean time to failure的简写，也就是大概的会断路的时间，右边A是导线在连线中的位置参数，想必，不同的位置，比如折角或者导线中间，会被电子风暴吹走的几率不一样。J是电流密度，k为波兹曼常数（又出现了，你好你好！），Eα是激活能量，这个看材料。而T，很显然就是温度了。这也就是我们要做好半导体散热的最初的原因了。
好，这个番外篇到这里差不多就告一段落了，大家爽不爽呢？正如Asuka之前所说，半导体是个复杂的东西，所以才会被我们利用，成为了电路的材料，而也正是这一种复杂性，让我们很难把握现象背后的真实。而正是大家来到PCEVA的原因，接下去，我们还将继续为大家揭开一个个真相，或者，最起码，为大家提供充足的资料，让大家可以各自判断，而不是被蛊惑或者洗脑。希望大家可以一起enjoy这个有趣的绝对领域。

Asuka小讲堂开讲啦！之一：摩尔定律 http://bbs.pceva.com.cn/thread-40293-1-1.html
Asuka小讲座之二：CMOS性能与制程上 http://bbs.pceva.com.cn/thread-40527-1-1.html
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Asuka小讲座番外篇之集成电路发热的微观研究 http://bbs.pceva.com.cn/thread-45623-1-1.html
Asuka小讲座之七：光刻技术进阶篇 http://bbs.pceva.com.cn/thread-45759-1-1.html

casper2003 · 发表于 2012-5-19 13:02

收藏了，顶一下

wsy2220 · 发表于 2012-5-19 13:08

嗯,认真看完了,回头用热力学分析一下

大D来了 · 发表于 2012-5-19 14:02

好多精华

royalk · 发表于 2012-5-19 14:13

SiGe的导热系数竟然只有8。。可以和硅脂一比了

overthink · 发表于 2012-5-19 19:15

INTEL什么时候能把Ivy Bridge的被子扔掉

ggxuelei · 发表于 2012-5-19 21:43

本帖最后由 ggxuelei 于 2012-5-19 21:45 编辑

表示从第二段开始就腾云驾雾看不懂了。。不过还是非常感谢

3D晶体管尽管如期减少了漏电流，却又制造了热传导的困难？

windcut · 发表于 2012-5-19 22:09

不太懂倒是还要支持一下

mvp1155 · 发表于 2012-5-19 23:03

慢慢看雖然有些看不懂 --

Asuka · 发表于 2012-5-20 00:05

ggxuelei 发表于 2012-5-19 21:43
表示从第二段开始就腾云驾雾看不懂了。。不过还是非常感谢

3D晶体管尽管如期减少了漏电流，却又制造了热传 ...

嗯也是如期地遭遇了热传导的问题

破天 · 发表于 2012-5-20 00:22

看不懂,能通俗的解释一下E0步进的3770K为什么比E1步进的3770K发热低吗?
我没有这个CPU,但是看到别人超频来看,E0步进的更能超,楼下的达人们不用急着告诉我影响因素有很多了

Asuka · 发表于 2012-5-20 00:32

破天发表于 2012-5-20 00:22
看不懂,能通俗的解释一下E0步进的3770K为什么比E1步进的3770K发热低吗?
我没有这个CPU,但是看到别人超频来 ...

的确这个其实仍然没法解释这种仿佛突变一般甚至同时还是倒退式的演进真心让人觉得难以理解

dakarr · 发表于 2012-5-20 08:40

intel顾此失彼？

Asuka · 发表于 2012-5-20 09:08

dakarr 发表于 2012-5-20 08:40
intel顾此失彼？

与其说是顾此失彼不如说是早有预料学术界很早就知道会有副作用 Intel也肯定不会不知道所以才会用硅脂嘛既然热压根传导不出来不如就节省一点成本好了

ggxuelei · 发表于 2012-5-20 09:10

感觉ivb该比snb更便宜才合理

张建荣 · 发表于 2012-5-20 19:39

。。。。。又学习了

aican · 发表于 2012-5-21 19:21

感觉公式那些地方就是在看天书啊。。。。

c592997 · 发表于 2012-5-22 09:38

太强大了，稍微明白点了，支持这样的佳作

glaygle · 发表于 2012-6-4 09:09

本帖最后由 glaygle 于 2012-6-4 09:13 编辑

爱好者表示看了光刻技术进阶篇还能理解，看了集成电路发热的微观研究后，我懵了。
高能粒子对物体的轰击会造成组成物体的粒子的电离这个，看Discovery Channel多了就能理解

YDestinyD98 · 发表于 2012-8-4 20:09

很难懂...

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