基于传输线网络的互连电热瞬态分析

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随着超大规模集成电路的特征尺寸的缩小和密度的增大,互连在电路性能中起到了越来越重要的作用。静电放电脉冲(electrostatic discharge, ESD)和焦耳热等会引起互连的温度升高,电阻率增加,可靠性下降,导致电路性能的恶化甚至器件的损毁。而电热耦合效应所带来的正反馈效果,更加剧了这一现象。因此,准确地估算互连的电热响应对指导电路设计起着重要的作用。本文提出了基于传输线网络的互连电热模型和瞬态分析方法,并研究了电热耦合对互连性能的影响。第一,针对典型的互连系统结构,在引入热路、热阻的概念基础上,建立了热的传输线网络模型。通过矩量匹配进行模型降阶得到一阶电热模型,并推导出互连线上温度响应的瞬态表达式。第二,为了对互连线上的电热耦合效应做出更加精确的仿真,在热传输线网络的基础上,采用快速傅里叶反变换(inverse fast Fourier transform, IFFT)和电热迭代运算,得到了互连线上的热瞬态响应。使用这个方法研究了互连在ESD脉冲和焦耳热作用下的瞬态电热响应。第三,论文分析了电热耦合的正反馈对电热性能的影响,得出结论:电热耦合效应会给互连带来严重的温度升高,并导致电路的性能变差,速度变慢,甚至器件的损毁。本文提出了片上互连结构的瞬态电热耦合模型和数值算法,并进行了程序实现。相关解析模型和数值算法的计算结果表明:本方法具有高精确度和高效率的优点,适合于互连的电热与可靠性分析,可对互连的设计和优化提供指导。
摘要第3-4页
Abstract第4页
第一章 绪论第8-16页
    1.1 研究背景第8-9页
    1.2 互连电热问题第9-13页
    1.3 研究现状第13-14页
    1.4 本文主要工作第14-16页
第二章 热路理论的基本原理第16-26页
    2.1 传热学基本原理第16-19页
        2.1.1 热传导第16-17页
        2.1.2 热对流第17-18页
        2.1.3 热辐射第18-19页
    2.2 热路的热阻、热容提取第19-21页
        2.2.1 热阻的提取第20-21页
        2.2.2 热容的提取第21页
    2.3 热路与电路的等效第21-25页
        2.3.1 热路与电路的等效第22-23页
        2.3.2 边界条件的热路建模第23-25页
    2.4 本章小结第25-26页
第三章 基于热传输线网络的互连在ESD 脉冲下的电热响应瞬态分析第26-48页
    3.1 热传输线网络的建模第26-29页
    3.2 热传输线网络的模型降阶第29-31页
    3.3 ESD 脉冲下的互连瞬态热响应第31-34页
    3.4 ESD 脉冲下的互连瞬态电热耦合分析第34-47页
        3.4.1 电热耦合原理第34-36页
        3.4.2 HBM-ESD 脉冲下的互连电热耦合瞬态响应与可靠性分析第36-43页
        3.4.3 均方脉冲下的互连电热耦合分析第43-47页
    3.5 本章小结第47-48页
第四章 CMOS 驱动的互连电热耦合分析第48-62页
    4.1 CMOS 驱动互连的电热分析模型第48-52页
    4.2 周期方波信号下互连电热耦合分析第52-61页
        4.2.1 温度响应与输入信号频率的关系第52-57页
        4.2.2 瞬态到稳态的变化过程分析第57-59页
        4.2.3 实际情况下的互连温度响应第59-60页
        4.2.4 电热耦合效应对电信号的影响第60-61页
    4.3 本章小结第61-62页
第五章 总结与展望第62-64页
参考文献第64-72页
致谢第72-74页
攻读学位期间发表和撰写的学术论文第74-76页
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