CN110364506A - 一种具有高稳定性的仿生集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子信息技术领域，提供一种具有高稳定性的仿生集成电路，该仿生集成电路分支后线路的宽度之和等于分支前主干线的宽度。本发明通过仿生设计减少了电路内局部过热区与热应力的产生，从而使得复杂连线之间达到温度均匀。本发明结构简单，有效可行，适用于工业化生产，对防止集成电路中由于复杂走线所导致温度分布不均问题有着重要意义。

Description

一种具有高稳定性的仿生集成电路
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种具有高稳定性的 仿生集成电路。
背景技术
集成电路是现代信息社会的基石，在各行各业中发挥着非常重 要的作用；随着半导体技术的飞速发展，微电子器件朝着体积微小 化、高互连密度方向发展，内部器件间的互连线越来越复杂，但热 效应问题却越发突出，直接导致了元件性能恶化甚至失效。生物在 漫长的年代里为生存的长期进化中，体内的能量转换、信息的接受 和传递都获得了极其精确和完善的机制，一些具有网状等级结构的 动植物，会在物质的输运过程中保证能耗最小，运输效率最高。目 前这类网状等级结构的流体运输已经在微机电***，微流体设计，电化学等领域有着广泛应用。从微观角度看：流体输运是由分子热 运动和分子间碰撞共同决定，而电荷输运过程主要由电荷在外电场 力下的加速运动和电子-晶格相互作用产生，因此电荷的微观输运和 流体输运在微观本质上是具有共性的。
对于动植物的动植物体内物质的流体输运，当一种流体从一个 大直径管道流进一个直径较小的管道时，该流体的速度增加会对管 道壁的压力增加，但生命体无法承受这种压力，因此长期进化中动 植物对于体内的物质输运都有特定的网状等级结构；对于一个固体 导电分支***，当电荷从较粗的干路流入较细的支路时，由于单位 长度电阻的增加与散热面积的减小会引起温度过度上升，引起局部 过热区与热应力的产生，因此为了保证电荷输运在过程中的稳定与 高效，那么导线之间的分布必然也是有着特定结构的。
目前，解决集成电路结构中热量分布不均等问题受到了科研人 员的广泛关注。中国专利CN 106133728 A中揭示了涉及实现半导体 设备冷却***的各实施例，该***利用对区域电压的知晓和温度可 靠性风险考虑。中国专利CN 105760624 A中涉及一种支持大规模三 维集成电路的热仿真和热设计方法，通过有限元仿真对三维集成电 路进行热评估。中国专利CN 105787152 A中提供一种有效的集成电 路热模拟装置及方法，热模拟装置包含热分析单元和网格数量分析 单元。中国专利CN 106886621 A中公布一种基于聚合降阶的集成电 路热分析方法，通过有限差分等方法构造热分析***；将热阻矩阵 表示为无向图形式；对热阻矩阵的无向图进行谱分析，获得节点的 划分；根据子集划分，将同一集合中的节点进行粗粒化，得到降阶 系。
从目前的研究来看，现解决集成电路中的温度分布不均等问题 的方法有：通过软件进行模拟计算，对集成电路进行热评估；借助 外部条件对局部区域进行冷却。然而这两种方法都有不足，如：直 接从理论分析并没有给出实际过程中的情况，而采用外界条件局部 冷却事实上要考虑的因素太多；更重要的是由于集成电路集成度越 来越高，内部器件间的互连线越来越复杂，走线产生的热量所导致 的温度分布不均并没有引起其他科研人员的关注。因此寻找一种简 单、有效可行的方法来解决集成电路中由于复杂走线所导致的温度 分布不均问题具有重要意义。
发明内容
本发明针对目前集成电路内部器件间的互连线越来越复杂所导 致的温度分布不均，提供一种具有高稳定性的仿生集成电路，优化 集成电路的稳定性。
本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的。
一种具有高稳定性的仿生集成电路，分支后线路的宽度之和等 于分支前主干线的宽度。
在上述技术方案中，分支和主干线路所采用的导线材料一致， 材料可为Cu、Ag、Al、n型Si或p型Si中的一种。
在上述技术方案中，分支后线路和主干线路的厚度一致。
在上述技术方案中，分支后线路数至少为2条。
在上述技术方案中，所述集成电路基体材料为本征Si、纸基板、 玻璃布基板或合成纤维板中一种。
在上述技术方案中，所述集成电路的金属电极与集成电路内部 走线为欧姆接触。
本发明具有高稳定性的仿生集成电路，通过仿生设计减少了电 路内局部过热区与热应力的产生，从而使得复杂连线之间达到温度 均匀。本发明结构简单，有效可行，适用于工业化生产，对防止集 成电路中由于复杂走线所导致温度分布不均问题有着重要意义。
附图说明
图1是本发明仿生集成电路的示意图。
图2是集成电路中某一段走线分支结构模型图。
图3中：(a)偏压0.1V时稳态下电路板的温度分布；(b)偏压0.3时稳 态下电路板的温度分布；(c)偏压0.7时稳态下电路板的温度分布；(d) 偏压1V时稳态下电路板的温度分布。
图4中：(a)偏压0.1V时稳态下电路板的温度分布；(b)偏压0.3时稳 态下电路板的温度分布；(c)偏压0.7时稳态下电路板的温度分布；(d)偏压1V时稳态下电路板的温度分布。
图5中：(a)符合网状分支结构的电路；(b)恒流3.1A下的 稳态时电路的温度场；(c)不符合网状分支结构的电路；(d) 恒流3.1A稳态下电路板的温度场。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例提供一种具有高稳定性的仿生集成 电路，其分支后线路的宽度之和等于分支前主干线的宽度。
在上述实施例中，分支和主干线路所采用的导线材料一致，材 料可为Cu、Ag、Al、n型Si或p型Si中的一种。
在上述实施例中，分支后线路和主干线路的厚度一致。
在上述实施例中，分支后线路数至少为2条。
在上述实施例中，所述集成电路基体材料为本征Si、纸基板、 玻璃布基板或合成纤维板中一种。
在上述实施例中，所述集成电路的金属电极与集成电路内部走 线为欧姆接触。
上述实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。 下面对本发明进行进一步的详细说明。
1.从集成电路总体的热稳定性考虑，电流的输运过程不可避免地 引起热量的产生，如果由于结构不合理导致局部温度升高，有可能 使***在输运过程极为不稳定，会引起热应力与过热区，因此优先 保持导线温度整体相同十分必要，这与流体输运过程中要考虑流体 对管壁的压力十分类似。为了减少了电路内局部过热区与热应力的 产生，使得复杂连线之间达到温度均匀，则单位时间长度的发热量 W与单位长度的散热面积A之比保持不变。对于如图2的集成电路 某一段分支结构，干路电流为i0，宽度d0，厚度h；支路电流分别为i1、i2，宽度分别为d1、d2，厚度h。
对于干路
对于支路
可以导出
若分支支流大致相等I＝i1+i2＝ni
d0＝d1+d2
当分支走线数量为n，同理可以推导出
这意味着分流之后走线宽度之和应该等于分支前走线宽度。当 网状等级结构电路中干路与支路的宽度满足这一条件时，电路各部 分的温度保持一致，避免了在电路内部形成过热区致使温度分布不 均的问题，因此本发明所提供的仿生电路具有高稳定性。
2.数值仿真是探讨材料参数、结构设计和工作方式等对电热输运 整体性能影响的重要手段。建立有效的数值模型和使用的有限元仿 真软件对构建的集成电路物理模型进行分析验证和优化设计，可以 快速确定网状分支结构下集成电路的温度场分布及其变化规律。本 例首先构建符合本发明仿生设计的集成电路走线结构，对 于电路在稳态下服从
J＝σE
对于固体内的热传导过程
对于固体与空气之间设置为对流换热
q＝hA(T∞-T)
其次选择集成电路导线Cu与基体Si材料，输入有关参数：电 路的电导率σ＝5.9×107(Ω·m)-1，电路热导率k＝400W/(m·K)，基体 的热导率k＝130W/(m·K)，环境换热系数h＝3W/(m2·K)，环境温度 T＝293K。施加激励源0.1V，0.3V，0.7V，1V进行有限元仿真，最后得到电路温度分布等可视化图形。从数值模拟的结果可以看出， 如图3a、3b、3c、3d，对集成电路两端施加偏压0.1V，0.3V，0.7V， 1V，集成电路走线各个分支温度基本保持一致，电路板整体温度分 布均匀；因此本发明的集成电路走线设计具有高稳定性。
3.通过改变导线材料参数对构建的集成电路物理模型对仿生结 构一步分析验证。选择集成电路导线Al与基体Si材料，输入有关参 数：电路的电导率σ＝3.77×107(Ω·m)-1，电路热导率k＝238W/(m·K)， 基体的热导率k＝130W/(m·K)，环境换热系数h＝3W/(m2·K)，环境 温度T＝293K。施加激励源0.1V，0.3V，0.7V，1V进行有限元仿真， 最后得到电路温度分布等可视化图形。从数值模拟的结果可以看出， 如图4a、4b、4c、4d，对集成电路两端施加偏压0.1V，0.3V，0.7V， 1V，集成电路走线各个分支温度基本保持一致，电荷分流过程中当 发热量与散热面积的比例不变时，集成电路稳定性最高；因此本发 明的集成电路走线设计方法，可用于进一步优化集成电路的稳定性。
4.为了进一步从实际情况验证特定网状结构的优越性，通过感光 法制备两种网状结构的电路。在给定特定电压与电流的条件下，观 测电路板温度分布，通过分析比较，从而验证符合网状分 支结构电路的高稳定性。
采用感光法制作出以FR-4材料为基底，Cu为主要导线材料的 线路板，实验流程：通过CAD设计电路图原稿(符合的网状走线分 支结构与不符合的网状走线分支结构)，用喷墨打印机用菲林胶卷打 印；切割出约5cm×5cm大小覆铜板，打磨抛光涂抹并上感光蓝油，置干燥箱90℃黑暗环境烘干一小时；取出覆铜板贴上打印好的菲林 胶卷并用两块玻璃夹住压10min；将粘有菲林胶卷的覆铜板放入LED 下10cm处曝光3min；将曝光完毕的覆铜板放入已配好比例的显影 液，待线路开始显示出来用刷子轻轻刷加快显影过程；将显影完毕的覆铜板放入干燥箱90℃恒温20min，取出并放入刻蚀液中，不断 观察至刻蚀完成；取出打孔并引出导线。
通过以上方法分别制备符合的网状分支结构电路与走线宽度一 致的网状分支电路，图5a是符合本发明的集成电路走线结构图，图 5b是不符合本发明的集成电路走线结构图。如图5c，对于符合 网状结构的电路，稳态时电路总体温度相差较小，温度分 布整体较为均匀；而对于如图5d，不符合稳态时在集成 电路两端形成局部过热区，相对图5c温差也较大，这容易直接导致 元件性能恶化甚至失效。相比较下，因此本发明所提出的的集成电 路设计方法具有高稳定性。
本说明书中未作详细描述的内容，属于本专业技术人员公知的 现有技术。
以上已经参照具体的实施方式详细地描述了本发明，显然，所 描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。 本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记 载的技术方案中技术特征的等同替代方案为保护范围。即在此范围 内等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有高稳定性的仿生集成电路，其特征在于：分支后线路的宽度之和等于分支前主干线的宽度。
2.根据权利要求1所述的具有高稳定性的仿生集成电路，其特征在于：分支和主干线路所采用的导线材料一致，材料为Cu、Ag、Al、n型Si或p型Si中的一种。
3.根据权利要求1所述的具有高稳定性的仿生集成电路，其特征在于：分支后线路和主干线路的厚度一致。
4.根据权利要求1所述的具有高稳定性的仿生集成电路，其特征在于：分支后线路数至少为2条。
5.根据权利要求1所述的具有高稳定性的仿生集成电路，其特征在于：所述集成电路基体材料为本征Si、纸基板、玻璃布基板或合成纤维板中一种。
6.根据权利要求1所述的具有高稳定性的仿生集成电路，其特征在于：所述集成电路的金属电极与集成电路内部走线为欧姆接触。
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