CN104679964A - 基于matlab编程的hbt电路芯片温度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MATLAB编程的HBT电路芯片温度分析方法，主要解决传统有限元分析方法分析的电路规模小、手工输入功耗繁琐的问题。其主要步骤为：1.获取HBT器件几何尺寸，材料热导率；2.对器件建模，并对单个器件作有限元温度分析；3.把单各器件的温度分布进行函数拟合；4.用电路软件仿真，获取各器件功耗，将其标注在版图上；5.导出GDSII格式版图文件，再转换为DXF格式；6.用MATLAB编程，提取版图上器件的坐标和功耗，计算各器件的工作温度，作出温度分布图。本发明能在集成电路物理设计的时间使用，可用于预测电路工作时HBT器件的稳态温度和版图上的热点位置，提高电路工作稳定性。

Description

基于MATLAB编程的HBT电路芯片温度分析方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，尤其涉及一种异质结双极型晶体管HBT电路芯片的温度分析方法，可用于指导集成电路后端版图设计。

技术背景

随着半导体制造工艺的飞速发展，集成电路单位面积中包含的器件越来越多，导致芯片上的功率密度越来越高，芯片工作温度不断升高。异质结双极型晶体管HBT器件相比CMOS硅器件，其工作电流更大，自热效应更为明显。研究表明，当前所有芯片中器件的失效有55％是温度超过规定值引起的。

在集成电路版图设计过程中，为了避免版图上出现热点的集中，需要对芯片上的温度分布作出预测，以使芯片在工作时热点分布能够更加均匀，提高电路工作的可靠性。

传统温度分析方法一般使用有限元分析软件，如ANSYS、Comsol、Icepak等，使用时先对分析对象进行几何建模，然后对发热的部分施加热载荷，再加上热传递的边界条件,对建好的模型划分网格，由计算机进行计算，得到最终温度分布。但对于芯片的热分布分析，由于芯片上的器件非常多，在当前计算机软硬件条件下，用有限元分析软件无法对大规模电路作出温度分析，影响电路工作时的可靠性。即便用来分析小规模电路，手工输入功耗信息也是极其耗时耗力的。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于MATLAB编程的温度分析方法，以实现对大规模电路进行温度分析，提高电路工作时的可靠性。

为实现上述目的，本发明的实现步骤包括如下：

(1)利用厂商给定的工艺库文件，获取芯片上异质结双极型晶体管HBT电路所使用的有源器件的信息；

(2)使用Comsol有限元分析软件对步骤(1)中获取的有源器件信息进行几何建模，并对该几何模型进行网格划分；

(3)对步骤(2)中建立的几何模型施加边界条件，并对该几何模型中有源器件的主要发热部分施加功耗，再用Comsol软件对所有网格的格点进行稳态热求解，获得器件表层温度随距离变化的分布曲线,所述功耗是指工艺库手册查到的器件工作电压与电流的乘积；

(4)将步骤(3)中得到的温度分布的曲线导入MATLAB软件，得到温度分布曲线的函数表达式T(x_i,p_i,s_i)，其中p_i为被分析器件自身的功耗，s_i是该器件基区的面积，x_i是芯片上某点到该基区中心点的距离；

(5)在电路仿真软件ADS中打开需要分析的电路原理图，对其进行仿真，获得各个有源器件的功耗；

(6)在版图设计软件Cadence中打开需要分析电路原理图所对应的芯片版图，将步骤(5)获得的各个功耗用文本Label图层，标在对应的有源器件基区的中心位置；

(7)将步骤(6)中的版图文件用gdsII格式文件进行输出；

(8)用格式转换软件LinkCAD打开(7)中得到的gdsII文件，保留有源器件的基区和TEXT图层，去掉其它无关图层，再用DXF格式进行输出；

(9)使用MATLAB软件自动提取步骤(8)中DXF格式版图文件有源器件的基区坐标，基区面积，中心点位置和功耗信息，并将该坐标和功耗信息代入步骤(4)获得的温度分布曲线函数表达式T(x_i,p_i,s_i)中，计算各个有源器件的工作温度，绘制出芯片的温度分布图和等温线分布图。

本发明与传统有限元分析方法相比，具有如下优点：

1)本发明通过自动提取DXF版图文件中的器件坐标和功耗信息，避免了传统方法手动输入功耗费时费力的缺点；

2)本发明由于在MATLAB软件中拟合了温度计算函数，且把函数表达式编程到温度计算过程中，避免了传统有限元方法的网格划分过程，可实现对千管规模的HBT电路的温度分析，提高电路工作时的可靠性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明仿真使用的THA电路版图；

图3是对图2的仿真温度分布图；

图4是对图2的仿真等温线分布图；

具体实施方式

为进一步地对本发明进行说明，下面结合图1的流程对图2所示的电路版图实例进行温度分析。图2所示的电路版图是模数转换器ADC电路的采样保持模块版图，其使用了稳懋半导体WIN的H01U-10的InGaP/GaAs HBT工艺。

步骤1，获取电路使用的异质结双极型晶体管HBT器件的几何尺寸，材料热导率。

根据所使用的异质结双极型晶体管HBT工艺库文件，获取图2中HBT器件的信息，该信息包括整个器件的面积，基区面积，集电区面积及其所用材料，和衬底材料、厚度及其背面工艺。

步骤2，使用Comsol有限元分析软件对步骤1中获取的器件进行建模。

2.1)打开Comsol软件，选择建立三维模型，固体传热物理场，稳态求解；

2.2)建立一个长宽高分别为500μm×200μm×100μm的长方体作为芯片衬底，材料为GaAs，长方体底面向外延伸4μm，材料为金；

2.3)由步骤1所得的器件尺寸在所述长方体上部中心延伸得到器件模型，发射区材料为InGaP，基区集电区材料为GaAs。

步骤3，加载功耗和边界条件，划分网格，进行稳态热分析，获得温度随距离变化的分布情况。

3.1)对基区和集电区接触面施加功耗，设定衬底底面温度为27℃，加载的功耗为工艺库手册查到的电压电流相乘所得；

3.2)使用自由剖分四面体选项对整个几何体划分网格；

3.3)点击求解按钮，进行稳态热分析，得到温度在整个芯片各部分的分布，并把芯片上表面沿器件基区对角线方向的温度分布用csv格式文件输出。

步骤4，在MATLAB软件中进行函数拟合。

4.1)打开MATLAB软件，将步骤3得到的csv文件导入，打开cftool工具，把芯片表面沿器件基区对角线方向的温度分布T(x_i,p_i,s_i)进行函数拟合，拟合结果如下：

$T(x_i,p_i,s_i)=\left\{\begin{array}{cc}f(p_i,s_i)& x_i=0\\ g(p_i,s_i,x_i)& x_i>>0\end{array}\right.$

这里T(x_i,p_i,s_i)为分段函数，其中，自热温升函数f(p_i,s_i)＝22.4·s_i ^-0.6296·p_i-40.98·s_i ^-1.189为p_i的线性函数，代表器件中心的温度；耦合温升函数代表距离器件中心较远的区域的温度，其中 $k_1=5.677\×{10}^{-7}\·s_i^3-0.0002426\·s_i^2+0.03571\·s_i+3.583,$ $k_2=3.594\×{10}^{-8}\·s_i^3-2.998\×{10}^{-5}\·s_i^2+0.005834\·s_i-1.297,$ $k_3=-3.646\×{10}^{-8}\·s_i^3+1.631\×{10}^{-5}\·s_i^2-0.002467\·s_i-1.045$

这里p_i是器件工作功耗，s_i是器件基区面积，x_i是某点距离器件基区中心的距离。

步骤5，在ADS中仿真获取各个器件功耗。

5.1)用电路仿真软件ADS打开图2对应的电路原理图，打开仿真控制器中的options选项，在Device operating point level选项中选中Detailed，点击工具栏的Simulate按钮开始仿真；

5.2)仿真结束后打开Data Display Window窗口，在左侧Item Palette中点击List按钮，将DeviceId和Power加入到右侧Traces里，点击OK，得到各个仿真器件的功耗信息。

步骤6，在版图上标注功耗。

6.1)在软件Cadence的Virtuoso窗口中，在版图中找到每个器件的基区中心，点击左侧Label按钮，在弹出窗口中把步骤5中得到功耗值填入，这里由于器件的集电区较大，则集电结完全被基区覆盖，认为基区的面积即为集电结面积；

6.2)在Cadence软件的初始窗口，点击File菜单，选择Export选项，点击Stream子选项，在Virtuoso Stream Out窗口点击OK按钮，用gdsII格式输出版图文件。

步骤7，把gdsII格式文件转换为DXF格式文件。

7.1)打开LinkCAD软件，在Import Format下拉菜单选择GDSII，在Export Format下拉菜单选择DXF，点击3次Next按钮，选择步骤6中得到的gdsII文件；

7.2)根据步骤1的工艺库文件，找到基区图层对应的编号，本实例中为3，在LinkCAD窗口右侧的name栏中把对应的编号改为bmesa，把功耗文本编号改为TEXT，点击其它图层左侧的灯泡选项，使之变成灰色，以去掉其它无关图层；再依次点击Next按钮和保存，得到DXF格式的版图文件，该DXF版图文件格式为：奇数行全为单个整数，称为组码，表明其后一行值的类型,偶数行则为上一行组码的关联值，组码和关联值成对，每个组码和值各占一行。

步骤8，MATLAB编程提取HBT器件坐标和功耗，计算各个器件温度。

8.1)提取版图中器件的坐标；

8.2)这里打开MATLAB软件，用fopen命令打开步骤7得到的DXF格式文件；

8.3)定义一个变量i＝1，然后查找VERTEX字符，判定VERTEX下面的第2行字符是否为bmesa:

若是，则先读VERTEX下面的第4行，值赋给ldx(i)；再读第6行，值赋给ldy(i)，再读第12行，值赋给rdx(i)；再读第14行，值赋给rdy(i)；再读第20行，值赋给rux(i)；再读第22行，值赋给ruy(i)；再读第28行，值赋给lux(i)；再读第30行，值赋给luy(i)；最后把(rux(i)-lux(i)·(ruy(i)-rdy(i))赋给面积s(i)，把rux(i)和lux(i)的平均数赋给中心点横坐标cenx(i)，ruy(i)和rdy(i)的平均数赋给中心点纵坐标ceny(i)，并且把i+1的值赋给i；

若不是，则不作处理。循环结束后，把i值赋给变量n。

这里ldx,ldy,rdx,rdy,rux,ruy,lux,luy分别定义为矩形基区左下，右下，右上，左上的坐标值，并且通过i+1的递增实现对芯片版图上HBT器件数量的统计，即为n。

8.4)提取器件功耗：

编程查找TEXT字符，读TEXT字符下面的第10行，值赋给power；再读第18行，值赋给px；再读第20行，值赋给py；

定义变量i＝1，判定是否同时满足px≥ldx(i),px≤rdx(i),py≥rdy(i),py≤ruy(i)这四个条件，若满足，则把power值赋给功耗p(i)；否则，把i+1的值赋给i，直到i＝n为止。

这里px,py定义为功耗文本数据在版图上的坐标，每找到一个功耗文本，就把其坐标和基区顶点坐标作对比，直到功耗文本的坐标落在矩形基区四个顶点之间为止，认为功耗信息和器件进行了对应。

8.5)计算各个器件的温度：

令编号为i的器件的初始温度temp0(i)＝27,1≤i≤n；

把功耗p(i)和面积s(i)代入步骤4所得的自热温升函数f(p_i,s_i)，1≤i≤n，计算得到编号为i的器件由于自热效应带来的温升值；

计算其它所有器件对编号为i的器件因热耦合的温升值，把器件i的中心点坐标cenx(i),ceny(i)和其它器件k的中心点坐标cenx(k),ceny(k)代入坐标距离公式 $x\left(k\right)=\sqrt{{(\mathrm{cenx}\left(i\right)-\mathrm{cenx}\left(k\right))}^2+{(\mathrm{ceny}\left(i\right)-\mathrm{ceny}\left(k\right))}^2},i\≠k;$ 将p(k),s(k)和x(k)代入步骤4所得的耦合温升函数g(p_k,s_k,x_k)进行求和计算，得到其它所有器件对编号为i的器件的耦合温升值

将初始温度、自热温升、耦合温升这三个值叠加，得到编号为i的器件工作温度值： $\mathrm{temp}\left(i\right)=\mathrm{temp}0\left(i\right)+f(p_i,s_i)+\underset{k\≠i}{\mathrm{\Σ}}g(p_k,s_k,x_k).$

步骤9，绘制温度分布图。

9.1)编程找出坐标lux(i)的最小值赋给变量luxmin，找出坐标rux(i)最大值赋给变量ruxmax，找出坐标ldy(i)最小值赋给变量ldymin，找出坐标luy(i)最大值赋给变量luymax；

9.2)对中心点横坐标cenx,中心点纵坐标ceny,器件温度temp使用4格点样条函数插值，即griddata函数，左右边界为(luxmin,ruxmax)，上下边界为(ldymin,luymax)，值赋给[x,y,z]，这里x,y是最终温度分布图的坐标，z是图中显示的温度变量；

9.3)对(x,y,z)使用pcolor命令，得到温度分布图如图3所示。图3中外侧的蓝色区域代表低温区域，中心的红色部分代表高温区域，蓝红之间的青、绿、黄等颜色代表芯片上温度由低到高的渐变区域；

9.4)对(x,y,z)使用contour函数，值赋给[c,h]，对(c,h)使用clabel命令，得到等温线分布图，如图4所示。图4中最外圈的等温线代表30℃，向内依次以2℃进行递增，最内圈的等温线代表46℃，其内部为版图上的温度最高区域；

9.5)把(ruxmax-luxmin)×(luymax-ldymin)作为版图尺寸进行输出，把n值作为器件个数输出，结果如表1所示

最高温度	47℃
		版图尺寸	875.5×203.8μm2
器件总数	55个

以上仅是对本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然根据本发明的思想可作出不同修改和变更，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (10)

1.一种基于MATLAB编程的HBT电路芯片温度分析方法，其特征在于,包括如下步骤：

(1)利用厂商给定的工艺库文件，获取芯片上异质结双极型晶体管HBT电路所使用的有源器件的信息；

(2)使用Comsol有限元分析软件对步骤(1)中获取的有源器件信息进行几何建模，并对该几何模型进行网格划分；

(3)对步骤(2)中建立的几何模型施加边界条件，并对该几何模型中有源器件的主要发热部分施加功耗，再用Comsol软件对所有网格的格点进行稳态热求解，获得器件表层温度随距离变化的分布曲线,所述功耗是指工艺库手册查到的器件工作电压与电流的乘积；

(4)将步骤(3)中得到的温度分布的曲线导入MATLAB软件，得到温度分布曲线的函数表达式T(x_i,p_i,s_i)，其中p_i为被分析器件自身的功耗，s_i是该器件基区的面积，x_i是芯片上某点到该基区中心点的距离；

(5)在电路仿真软件ADS中打开需要分析的电路原理图，对其进行仿真，获得各个有源器件的功耗；

(6)在版图设计软件Cadence中打开需要分析电路原理图所对应的芯片版图，将步骤(5)获得的各个功耗用文本Label图层，标在对应的有源器件基区的中心位置；

(7)将步骤(6)中的版图文件用gdsII格式文件进行输出；

(8)用格式转换软件LinkCAD打开(7)中得到的gdsII文件，保留有源器件的基区和TEXT图层，去掉其它无关图层，再用DXF格式进行输出；

(9)使用MATLAB软件自动提取步骤(8)中DXF格式版图文件有源器件的基区坐标，基区面积，中心点位置和功耗信息，并将该坐标和功耗信息代入步骤(4)获得的温度分布曲线函数表达式T(x_i,p_i,s_i)中，计算各个有源器件的工作温度，绘制出芯片的温度分布图和等温线分布图。

2.根据权利要求1所述的方法，其步骤(1)中所述的有源器件信息，包括器件的总面积、基区面积、集电区面积、各层厚度，及其所用材料、背面工艺。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述(3)中的边界条件，是设定衬底背面温度为27℃，芯片其它面绝热。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(4)中的函数表达式为：

$T(x_i,p_i,s_i)=\left\{\begin{array}{cc}f(p_i,s_i)& x_i=0\\ g(p_i,s_i,x_i)& x_i>>0\end{array}\right.,$

其中，f(p_i,s_i)为自热温升函数，近似为p_i的线性函数，可用于计算器件自热产生的温升；

g(p_i,s_i,x_i)为耦合温升函数，近似为x_i的幂函数,p_i的线性函数，可用于计算器件之间相互热耦合产生的温升。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(6)所述的将步骤(5)获得的各个功耗用文本Label图层，标在对应的HBT器件集电结的中心位置，是在Cadence的Virtuoso窗口中，通过仔细观察版图，找到每个器件的基区中心，点击左侧Label按钮，在弹出窗口中把步骤(5)中得到功耗值填入。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(9)中的读取HBT器件位置坐标、基区面积和中心点坐标，按如下步骤进行：

(9a)编程打开步骤(8)得到的DXF格式的版图文件；

(9b)编程查找VERTEX字符，判定VERTEX下面的第2行字符是否为bmesa:

若是，则先读VERTEX下面的第4行，值赋给ldx(i)；再读第6行，值赋给ldy(i)，再读第12行，值赋给rdx(i)；再读第14行，值赋给rdy(i)；再读第20行，值赋给rux(i)；再读第22行，值赋给ruy(i)；，再读第28行，值赋给lux(i)；再读第30行，值赋给luy(i)；最后把(rux(i)-lux(i)·(ruy(i)-rdy(i))赋给面积s(i)，把rux(i)和lux(i)的平均数赋给中心点横坐标cenx(i)，ruy(i)和rdy(i)的平均数赋给中心点纵坐标ceny(i)；

若不是，则不作处理。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(9)中提取功耗信息，按如下步骤进行：

(9c)编程查找TEXT字符，读TEXT字符下面的第10行，值赋予power；再读第18行，值赋予px；再读第20行，值赋予py；

(9d)判定是否同时满足px≥ldx(i),px≤rdx(i),py≥rdy(i),py≤ruy(i)这四个条件，若满足，则把power值赋予功耗p(i)；否则，不作处理。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(9)中计算各个HBT器件的工作温度,按如下步骤进行：

(9e)令初始温度temp0(i)＝27；

(9f)把功耗p(i)和面积s(i)分别代入自热温升函数f(p_i,s_i)；

(9g)把中心点坐标cenx(i),ceny(i)和cenx(k),ceny(k)代入坐标距离公式 $x\left(k\right)=\sqrt{{(\mathrm{cenx}\left(i\right)-\mathrm{cenx}\left(k\right))}^2+{(\mathrm{ceny}\left(i\right)-\mathrm{xeny}\left(k\right))}^2},$ i≠k；将p(k),s(k)和x(k)代入耦合温升函数g(p_k,s_k,x_k)进行求和计算；

(9h)把 $\mathrm{temp}0\left(i\right)+f(p_i,s_i)+\underset{k\≠i}{\mathrm{\Σ}}g(p_k,s_k,x_k)$ 的值赋予器件工作温度temp(i)。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(9)中绘制芯片的温度分布图和等温线分布图，按如下步骤进行：

(9i)编程找出坐标lux(i)最小值赋给变量luxmin，找出坐标rux(i)最大值赋给变量ruxmax，找出坐标ldy(i)最小值赋给变量ldymin，找出坐标luy(i)最大值赋给变量luymax；

(9j)对中心点横坐标cenx,中心点纵坐标ceny,器件温度temp使用4格点样条函数插值，左右边界为(luxmin,ruxmax)，上下边界为(ldymin,luymax)，值赋予[x,y,z]；对(x,y,z)使用pcolor命令，得到温度分布图；对(x,y,z)使用contour函数，值赋予[c,h]，对(c,h)使用clabel命令，得到等温线分布图。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(9)中的DXF版图文件，其内容格式为：奇数行全为单个整数，称为组码，表明其后的值的类型,偶数行则为上一行组码的关联值，组码和关联值成对，每个组码和值各占一行。