考虑通孔效应和边缘传热效应的纳米级互连线温度分布模型

提出了同时考虑通孔效应和边缘传热效应的互连线温度分布模型,获得了适用于单层互连线和多层互连线温度分布的解析模型,并基于65 nm互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺参数计算了不同长度单层互连线和多层互连线的温度分布.对于单层互连线,考虑通孔效应后中低层互连线的温升非常低,而全局互连线几乎不受通孔效应的影响,温升仍然很高.对于多层互连线,最上层互连线的温升最高,温升和互连介质层厚度近似成正比,而且互连介质材料热导率越低,温升越高.所提出的互连线温度分布模型,能应用于纳米级CMOS计算机辅助设计. 关键词： 通孔效应 边缘传热效应 纳米级互连线 温度分布模型     

考虑互连温度分布的缓冲器插入延时优化方法

针对VLSI设计中存在的互连电感效应、热电耦合以及互连温度分布的问题,提出一种缓冲器插入延时优化方法.首先根据互连温度分布的特点得出其电阻模型和延时模型,通过延时、功耗和温度之间的热电耦合效应求得考虑互连温度分布的缓冲器插入最优化延时,利用Matlab软件求得最佳优化结果.采用该方法针对45 nm工艺节点的缓冲器插入进行分析和验证,证实了方法的有效性.研究表明,忽略互连电感效应会高估芯片的优化延时,忽略互连温度分布会低估芯片的优化延时,在全局互连尺寸较小(线宽为245 nm)时,忽略互连温度分布会低估互连延时8.71%.     

考虑通孔横向热传输效应的三维集成电路热分析

考虑横向热传输效应,构造一种包含通孔结构的叠层芯片三维热传输模型.在具体的工艺参数下验证叠层芯片层数、通孔密度、通孔直径和后端线互连层厚度对三维集成电路热传输的影响.结果显示,采用该模型仿真得到的各层芯片温升要低于不考虑横向热传输时所得到的温升,差异最大可达10%以上,并且集成度要求越高,其横向热传输效应的影响越明显.该模型更符合实际情况,能够更准确地分析三维集成电路的各层芯片温度.     

考虑非均匀温度分布效应的缓冲器插入最优尺寸研究

基于非均匀温度分布效应对互连延时的影响, 提出了一种求解互连非均匀温度分布情况下的缓冲器最优尺寸的模型. 给出了非均匀温度分布情况下的RC互连延时解析表达式, 通过引入温度效应消除因子, 得出了最优插入缓冲器尺寸以使互连总延时最优. 针对90 nm和65 nm工艺节点, 对所提模型进行了仿真验证, 结果显示, 相较于以往同类模型, 本文所提模型由于考虑了互连非均匀温度分布效应, 更加准确有效, 且在保证互连延时最优的情况下有效地提高了芯片面积的利用.     

考虑温度分布效应的非对称RLC树时钟偏差研究

提出了一种RLC互连树零时钟偏差构建方法.给出了RLC互连温度非均匀分布及其延时的解析公式,并推导计算了最优的零时钟偏差点,所提模型同时考虑了互连温度非均匀分布、电感效应及不对称互连结构对零时钟偏差点的影响.针对65 nm工艺节点对所提模型进行了仿真验证,结果显示,相较于同类模型,最大误差不超过1%. 关键词： RLC')" href="#">RLC 温度分布 不对称互连结构 零时钟偏差点     

一种考虑硅通孔电阻-电容效应的三维互连线模型

硅通孔(TSV)是三维集成电路的一种主流技术.基于TSV寄生参数提取模型,对不同物理尺寸的TSV电阻-电容(RC)参数进行提取,采用Q3D仿真结果验证了模型精度.分析TSVRC效应对片上系统的性能及功耗影响,推导了插入缓冲器的三维互连线延时与功耗的解析模型.在45nm互补金属氧化物半导体工艺下,对不同规模的互连电路进行了比较分析.模拟结果显示,TSVRC效应导致互连延时平均增加10%,互连功耗密度平均提高21%;电路规模越小,TSV影响愈加显著.在三维片上系统前端设计中,包含TSV寄生参数的互连模型将有助于设计者更加精确地预测片上互连性能.     

三维集成电路堆叠硅通孔动态功耗优化

三维集成电路堆叠硅通孔结构具有良好的温度和热特性. 提出了一种协同考虑延时、面积与最小孔径的堆叠硅通孔动态功耗优化办法. 在提取单根硅通孔寄生电学参数的基础上, 分析了硅通孔的直径对多层硅通孔的功耗与延时性能的影响, 由此构建了分层逐级缩减堆叠硅通孔结构, 分析了硅通孔高度与氧化层厚度的影响. 结果表明, 该模型可在牺牲少许延时的情况下显著优化动态功耗, 在允许牺牲延时5%的情况下, 堆叠硅通孔的动态功耗最多可减少19.52%.     

考虑硅通孔的三维集成电路最高层温度模型

针对三维集成电路最高层芯片,引入硅通孔面积比例因子r,提出了考虑硅通孔的温度解析模型.Matlab分析表明,在芯片堆叠层数及芯片工作状态相同的情况下,考虑硅通孔之后的芯片温度比未考虑硅通孔时要低;r越大,芯片温度越低;当芯片堆叠层数较多且r较小时,温度随着r的减小急剧上升;对于8层的三维集成电路,硅通孔面积比例因子的最佳范围为0.5%~1%.     

纳米尺度金属-氧化物半导体场效应晶体管沟道热噪声模型

随着CMOS工艺的发展,热载流子效应对沟道热噪声的影响随着器件尺寸的降低而增大,传统热噪声模型未能准确表征沟道的热噪声.本文通过解能量平衡方程,得到电子温度表达式,并结合沟道漏电流表达式,建立了沟道热噪声模型.利用建立的电子温度表达式,该热噪声模型考虑了热载流子效应的影响,并且在计算热噪声的过程中考虑了电子温度对迁移率降低的影响以及温度梯度对热噪声的影响.通过分析与计算,结果显示,随着器件尺寸的减小,温度梯度对电子温度产生显著影响,使得热载流子效应的影响增大,热载流子效应对热噪声的增长作用超过了迁移率降低对热噪声的减小作用,最终导致热噪声增大.本文建立的沟道热噪声模型可应用于纳米尺寸金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的噪声性能分析及建模.     

珀尔帖电流引线界面漏热特性分析

对应用在超导直流装置中的珀尔帖电流引线在有限元仿真软件COMSOL中建模,以最小漏热为目标对珀尔帖电流引线进行了优化设计。在确定了珀尔帖电流引线最优几何参数后,对珀尔帖电流引线在不同电流值时轴向的温度分布、漏热值、热电元件低温端温度值以及两端的温度差、热电元件两端的电势差等进行了定性分析。在最优模型的基础上,建立了考虑焊接材料时的仿真模型,分别分析了热电元件碲化铋和铜块之间焊接材料(焊锡、铟和银)对珀尔帖电流引线漏热和热电元件碲化铋低温端温度值的影响。由仿真结果分析可以得到,在热电元件碲化铋和铜块之间焊接材料(焊锡、铟和银)使珀尔帖电流引线的漏热增加了,但增量是比较小的。     

半导体温差发电过程的模型分析与数值仿真

本文提出一种新型的半导体温差发电模型,在温差发电过程的数值模拟中考虑了热电单元之间封闭腔体内空气传热的影响.同时进一步运用有限元的数值计算方法对不同电臂对数和不同型号温差发电模型的温度场、电压场进行了数值仿真计算,并对仿真结果进行分析.结果表明:采用127对热电单元模型计算的能量转换效率随冷热端温差增大而迅速提高,与采用1对热电单元模型计算的能量转换效率之差从冷热端温差为20℃的0.39%提高到冷热端温差为220℃时的5.16%,能量转换效率比1对热电单元平均高出3.02%.冷端温度恒定在30℃时,温差发电芯片的输出电压、功率以及能量转换效率均随着电偶臂的横截面积的增大而提高,且电偶臂冷热两端的温差越大提高幅度也越大,而温差发电芯片内阻则与电偶臂横截面积成反比关系,当温差为220℃时对应的输出功率最高达28.9 W.     

Thermoelectrics with Coulomb-coupled quantum dots

In this article we review the thermoelectric properties of three terminal devices with Coulomb-coupled quantum dots (QDs) as observed in recent experiments [1], [2]. The system we consider consists of two Coulomb-blockade QDs, one of which can exchange electrons with only a single reservoir (heat reservoir), while the other dot is tunnel coupled with two reservoirs at a lower temperature (conductor). The heat reservoir and the conductor interact only via the Coulomb coupling of the quantum dots. It has been found that two regimes have to be considered. In the first one, the heat flow between the two systems is small. In this regime, thermally driven occupation fluctuations of the hot QD modify the transport properties of the conductor system. This leads to an effect called thermal gating. Experiments have shown how this can be used to control charge flow in the conductor by means of temperature in a remote reservoir. We further substantiate the observations with model calculations, and implications for the realisation of an all-thermal transistor are discussed. In the second regime, the heat flow between the two systems is relevant. Here the system works as a nanoscale heat engine, as proposed recently (Sánchez and Büttiker [3]). We review the conceptual idea, its experimental realisation and the novel features arising in this new kind of thermoelectric device such as decoupling of heat and charge flow.     

Research on Temperature Field Reconstruction Based on RBF Approximation with Polynomial Reproduction Considering the Refraction Effect of Sound Wave Paths

The temperature field distribution directly reflects the combustion condition in a furnace．In this paper, acoustic thermometry to reconstruct temperature distribution is investigated. A method based on radial basis function approximation with polynomial reproduction (RBF-PR) is proposed in order to improve the accuracy and stability of the method based on RBF approximation. In addition, the refraction effect of sound wave paths is considered in the process of reconstruction. The curved lines with refraction effect are numerically calculated by solving differential equations, which show that sonic waves curve towards the zones of higher temperature. The reconstructed performance is validated via numerical simulation using four temperature distribution models. Results and analysis show that the proposed method has much greater accuracy than the method based on RBF approximation, and when considering the effect of refraction, our method can reconstruct more excellent reconstruction performance than others, which do not take into account the refraction effect of sound wave paths.     

基于梯度翅片换热器的热电发电系统性能研究

本文建立了热电发电系统(TEG)多物理场数值模型,并充分考虑换热器流体影响,综合研究了具有不同热侧换热器翅片结构的TEG系统性能。在雷诺数为1000~10000范围内,分析了流体沿程温度分布特征、泵功及热电发电模块的能量转换特性.所研究的三种翅片结构包括:全流道等高度直翅片(Fin-1)、下游强化梯度翅片(Fin-2)以及上游强化梯度翅片(Fin-3).研究表明,通道长高比及热电材料覆盖率一定,热电发电功率及转换效率随流量呈二次曲线变化关系,存在最匹配流量使得系统发电性能最佳。等高度直翅片对流量的变化敏感,随流量增大,则压损增大,导致系统净输出功率及发电效率无收益.而梯度翅片可以在更大范围内产生正收益;下游强化梯度翅片具有最佳的流体沿程温度均匀性,但沿程局部热阻却最大.综合考虑沿程局部热阻分布及泵功消耗,上游强化梯度翅片TEG系统净转换效率最高,因此局部热阻分布及泵功综合因素应为TEG内的换热器合理设计的关键。     

基于总能形式的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法

双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法在微尺度热流动系统中得到广泛的应用. 本文基于晶格玻尔兹曼平衡分布函数低阶Hermite展开式, 创新性地提出了包含黏性热耗散和压缩功的耦合的双分布函数热晶格玻尔兹曼数值方法, 将能量场内温度的变化以动量源的形式引入晶格波尔兹曼动量演化方程, 实现了能量场与动量场之间的耦合. 研究了考虑黏性热耗散和压缩功的和不考虑的两种热自然对流模型, 重点分析了不同瑞利数和普朗特数下流场内的流动情况以及温度、速度和平均努赛尔数的变化趋势. 本文实验结果与文献结果一致, 验证了本文数值方法的可行性和准确性. 研究结果表明: 随着瑞利数和普朗特数的增大, 方腔内对流传热作用逐渐增强, 边界处形成明显的边界层; 考虑黏性热耗散和压缩功的模型对流作用相对增强, 黏性热耗散和压缩功对自然对流的影响在微尺度流动过程中不能忽略.     

计算导热系数的新公式

在传统的一维传热模型下导热系数的计算公式误差较大.本文通过建立试样内部的三维传热模型,更为科学地考虑了侧壁散热的影响,推导出了计算导热系数的新公式.以橡胶为研究材料进行实验,证明了新公式的合理性.引入影响因子P来衡量侧壁散热对系统的影响程度,分析得到P值随着试样厚度增加而增大.     

Macro-performance of multilayered thermoelectric medium

The effective properties of thermoelectric composites are well known to depend on boundary conditions, which causes the macro performance of thermoelectric composite to be difficult to assess. The overall macro-performance of multilayered thermoelectric medium is discussed in this paper. The analytical solutions are obtained, including the heat flux, temperature,electric potential, and the overall energy conversion efficiency. The results show that there are unique relationships between the temperature/electric potential and the electric current/energy flux in the material, and whether the material is independent of or embedded in thermoelectric composites. Besides, the Peltier effect at the interface can significantly improve the overall energy conversion efficiency of thermoelectric composites. These results provide a powerful tool to analyze the effective behaviors of thermoelectric composites.