电路仿真方法、器件模型和仿真电路的制作方法

专利名称：电路仿真方法、器件模型和仿真电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及在半导体集成电路的设计、特别在电路设计工程中使用电路仿真器进行电路的特性评估的电路仿真方法。此外，还涉及使用该方法的器件模型和仿真电路。
背景技术：
在控制电机或等离子体显示器等需要大电流驱动的装置的半导体集成电路(以下，简称IC)中，因自身发热等原因，构成IC的元件或整个IC的温度在实施仿真的过程中会发生动态变化，IC特性变化的可能性比其他IC高。因此，在电路设计时必须把握IC或元件可取的温度范围并有足够的对策。
IC的电路特性评估常常使用电路仿真器。作为电路仿真器，一般以美国加利福尼亚大学伯克利分校开发的程序SPICE所采用的算法为基础。在该电路仿真器中，对电路中元件的电特性的动态变化进行仿真。这里，元件的温度在仿真过程中是一定的。
此外，近年来，提供了已考虑到在部分有源器件中因在仿真过程中本身发热而引起的元件的温度变化的、诸如通过IEEE双极性/双CMOS电路和技术会议(IEEE Bipolar/Bi CMOS Circuits andTechnology Meeting)开发的VBIC95(Vertical Bipolar Inter-Company model 1995)等仿真模型。但是，迄今为止，无源元件等大部分器件仍然只对电特性的动态变化进行仿真。因此，还不能对整个IC的温度的动态变化正确地进行仿真。
此外，作为考虑到本身发热的仿真方法，专利文献1提出了在仿真过程中对于温度考虑电路中各元件的温度变化的方法。下面，使用图12和图13说明该方法。
首先，准备一种在电路中使用的器件模型，假定各元件不随温度变化。作为模型的结构，如图12所示，其主要构成要素包括具有个数与器件对应的端子P1～Pn的电模型81和表示该元件温度的参数82。符号Z表示元件的电阻抗。符号temp是表示元件温度的变量。再有，所谓元件是指配置于集成电路内的例如电阻、MOS晶体管等部件本身。此外，器件是指例如电阻、MOS晶体管等元件的构造。
如图13所示，使用该模型，在温度一定的条件下建立电路方程式(步骤91)。
其次，根据电路方程式、电路的输入条件和各元件的温度计算电路的电压、电流等电特性，算出流过各元件的电流(步骤92)。
接着，对各元件求出自身的发热量，并算出元件的温度变化(步骤93)。
这里，调查所有元件的温度变化量，判定温度变化量的和是否在规定值之内(步骤94)。
当温度变化量的和超过规定的值时，在各元件的温度已变更了所算出的温度变化量的状态下，重新设定各元件的温度(步骤95)，再回到求解电路方程式的工序。当判定在规定值之内时，将在此得到的电特性的数值和各元件的温度作为该状态下的电路状态。
专利文献1特开平8-327698号公报(图1)非专利文献1“VBIC95，The Vertical Bipolar Inter-CompanyModel”，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUTS，Vol.31，No.10，OCTOBER 1966但是，若按照上述现有技术的方法，例如，在电路的瞬态响应的仿真中，专利文献1的方法和VBIC95中仅自身的发热被考虑为温度变化的主要原因，而没有考虑电路内元件之间的热交换。因此，造成具有温度依存性的器件的特性之电路仿真精度变差。
此外，在专利文献1的方法中，由于求出各时刻的状态时必须反复计算温度，故与过去不考虑元件温度变化的现有的电路仿真相比，处理时间大大增加。

发明内容
本发明的目的在于提供一种已考虑到电路内元件间的热交换的能实现高精度电路仿真的电路仿真方法、器件模型和仿真电路。
本发明的另一目的在于提供一种能减少仿真过程中的重复工序，从而实现高效率的电路仿真的电路仿真方法、器件模型和仿真电路。
本发明的电路仿真方法包括使用具有记述了已考虑到元件的温度变化的电特性的电模型和记述了元件的热特性的热模型之器件模型来表现仿真对象电路中的各个元件，同时，求出发生热交换的2个元件之间的热电阻(熱抵抗)值，再将热电阻值插入到与2个元件对应的器件模型的热模型之间，从而构成仿真电路的工序；通过分析仿真电路求出仿真对象电路中各元件的电特性和热特性的动态变化的工序。
在上述电路仿真方法中，为了求出发生热交换的2个元件之间的热电阻值，构成仿真电路的工序最好包括作为产生热交换的2个元件将相邻配置的2个元件从掩膜布线图中抽出的工序；根据相邻配置的2个元件之间的距离和2个元件之间的热传导度求出2个元件之间的热电阻值的工序。
本发明的器件模型为了表现仿真对象电路中的各个元件，具有记述了已考虑元件的温度变化的电特性的电模型和记述了元件的热特性的热模型，并且是一种可以适用于上述电路仿真方法中的器件模型。
本发明的仿真电路使用具有记述了已考虑元件的温度变化的电特性的电模型和记述了元件的热特性的热模型之器件模型来表现仿真对象电路中的各个元件，同时，将发生热交换的2个元件之间的热电阻值插入到与2个元件对应的器件模型的热模型之间，并且是一种可适用于上述电路仿真方法中的仿真电路。
若按照本发明的电路仿真方法，考虑元件间的热量交换，且不用重复计算仿真过程中的温度，就可以得到电路内各元件的电特性和热特性。因此，可以实现高精度、高效率的电路仿真。


图1是表示本发明的元件的仿真模型的结构图。
图2是表示本发明的电路仿真方法的流程图。
图3A、3B是表示本发明的实施例中电阻元件的仿真模型的结构图。
图4A-4C是分别表示本发明实施例中的一例成为仿真对象的电路的结构之电路图及其设计图。
图5是在本发明的实施例中构建的仿真电路的电路图。
图6A、6B是表示本发明实施例的电阻元件通电时的元件温度的瞬态响应曲线的图。
图7A、7B是表示本发明实施例的元件温度和电阻值相对于电阻元件的电源电压之相关关系的曲线图。
图8是表示在本发明的实施例中求出相邻元件间的热电阻之方法的流程图。
图9是表示图8的步骤S12的详情的流程图。
图10是表示图9的步骤S22的详情的流程图。
图11A-11D是表示在本发明的实施例中求出元件相邻关系的方法的图。
图12是表示现有技术的电路仿真器所使用的元件模型的结构图。
图13是在考虑了现有技术的自身发热的回路仿真器中计算1个分析点的流程图。
图14A-14C是表示图9的流程图所示的处理的模式图。
具体实施例方式
下面，参照

本发明的实施例。
图1是本发明的用于电路仿真的器件模型的概要图，图2是表示本发明的电路仿真方法的流程图。
首先，说明其概要。本发明的用于电路仿真的器件模型如图1所示，是兼具有表示元件的电特性的电模型1和表示同一元件的热特性的热模型2的模型(以下称电热混合模型)。
电模型1具有个数与器件对应的端子P1～Pn，热模型2具有可在元件间进行热交换的端子(以下称热端子)U1、UN。而且，电模型1的电特性(例如元件的电阻值)随着热模型2的热特性的动态变化(元件的温度变化)而变化。
在图1中，符号Z表示元件的电阻抗，符号Q表示元件的热阻抗。热端子U1是表示元件温度的热模型端子，热端子UN是表示与基准温度连接的热模型的端子。
电路仿真器使用该电热混合模型。而且，该电路仿真器如图2所示，将构成被设计的半导体集成电路的全部元件变换成上述电热混合模型，同时，在产生热交换的元件之间(例如相邻的元件间)插入热电阻。由此，构成使用了电热混合模型的电和热的回路网(步骤S1)。
其次，对构成的电和热的回路网建立电路方程式和热方程式(步骤S2)，并同时对它们求解(步骤S3)。由此，得到电路内各元件的电特性和热特性。
使用了本实施例的电热混合模型的电路仿真器具有同时解出由于仿真过程中的自身发热和电路内元件间的热交换而动态变化的元件温度以及电路的各个参量的功能。由此，在分析仿真过程中的一点时，如图2所示，不用重复计算温度，就可以得到电路内各元件的电特性和热特性。
下面，作为元件，以电阻元件为例进行详细说明。
首先，构建电阻元件的仿真模型(电热混合模型)。
做为电阻模型，可以考虑图3A所示的电热混合模型。在该模型中，自身发热的热源Qs、存储热量的热容量Ct和使热量向衬底传送的热电阻RT并联连接。进而，在热回路的结点部分导入热端子U1、UN。热端子U1表示元件的温度，热端子UN与将该元件设定为自身发热且没有和其他元件进行热交换时的该元件的基准温度(例如室温)的热源相连接。符号i表示流过电阻抗Z的电流。
在该图3A中，电模型31和常规的电路仿真器采用的电阻模型被同样示出，热模型32和VBIC95采用的热模型被同样示出。但是，实际上如图3B所示，电阻抗Z由表示该电阻元件在基准温度下的电阻值的基准电阻值R0和修正电路33的修正电阻值(RC)构成。修正电路33在该电阻元件的温度从基准温度上升了tdelta时，可以设定修正电阻值RC以便满足Qs＝iZ2。这里，tdelta可以通过tdelta＝热端子U1的温度-热端子UN的温度来表达。
元件温度从基准温度上升tdelta时的电阻抗Z满足Z＝R0(1+tc1×tdelta+tc2×tdelta2)因此，在修正电路33中，修正电阻值RC被设定成
RC＝R0(tc1×tdelta+tc2×tdelta2)这里，符号tc1、tc2表示温度系数。
此外，当设热从元件流向衬底时的热电阻为RT时，通过热电阻RT从元件流向衬底的热量Q1可由Q1＝tdelta/RT表达。在平衡状态下，Qs＝Q1图4A-4C示出一例仿真对象电路。图4A是电路图，图4B表示其布线图。该仿真对象电路如图4A所示，由4个电阻元件R1～R4构成，按图4B那样布局。在图4B中，符号41～44表示由将各电阻元件R1～R4之间相互连接的铝等形成的引线。
在图4B所示的布线图案中，4个电阻元件R1～R4之间，可进行热交换的2个电阻可以有6种组合。2个电阻之间的热交换由热电阻表示。图4C是在图4B的布线图案上模式地示出6个热电阻的图。符号RT12表示电阻元件R1、R2之间的热电阻。符号RT23表示R2、R3之间的热电阻。符号RT34表示电阻元件R3、R4之间的热电阻。符号RT41表示电阻元件R4、R1之间的热电阻。符号RT13表示电阻元件R1、R3之间的热电阻。符号RT24表示电阻元件R2、R4之间的热电阻。
对于图4A-4C所示的仿真对象电路，图5示出了使用图3A、3B的电阻模型生成的仿真电路(电和热的回路网)。在图5中，符号ST1表示一定的温度源。符号(R1)～(R4)表示电阻元件R1～R4的模型。符号T1～T4表示热结点。符号TREF表示电阻元件R1～R4的基准温度结点。
在该仿真电路中，热电阻RT12、RT23、RT34、RT41、RT13、RT24与各自对应的元件(R1)～(R4)的热端子U1连接。这些热电阻RT12、RT23、RT34、RT41、RT13、RT24的热电阻值由各电阻元件R1～R4之间的热传导的结构，例如，各电阻元件R1～R4之间的材料和距离等因素决定。
这里，说明图5的结构中的电路方程式和热方程式。设电路中连接元件(R1)的端子P2和元件(R3)的端子P1的网络线和连接元件(R2)的端子P2和元件(R4)的端子P1的网络线分别为N13、N24，端子A、B的电压和网络线N13、N24的电压分别为V(A)、V(B)、V(N13)、V(N24)。此外，若从端子A流入的电流和从端子B流出的电流分别为I(A)、-I(B)，则电路方程式可由(式1)表示。这里，符号ZR1(T1，TREF)、ZR2(T2，TREF)、ZR3(T3，TREF)、ZR4(T4，TREF)表示元件(R1)～(R4)的阻抗。
I(A)=V(A)-V(N13)ZR1(T1,TREF)+V(A)-V(N24)ZR2(T2,TREF)]]>-I(B)=V(N13)-V(B)ZR3(T3,TREF)+V(N24)-V(B)ZR4(T3,TREF)]]>0=V(A)-V(N13)ZR1(T1,TREF)-V(N13)-V(B)ZR3(T3,TREF)]]>0=V(A)-V(N24)ZR2(T2,TREF)-V(N24)-V(B)ZR4(T4,TREF)]]>……(式1)此外，热方程式可由(式2)表示。这里，从电阻Rx的端子T1放出的热量为Q(Rx)。
Q(R1)=T1-T2RT12+T1-T3RT13+T1-T4RT41]]>Q(R2)=T2-T1RT12+T2-T3RT23+T2-T4RT24]]>Q(R3)=T3-T1RT13+T3-T2RT23+T3-T4RT34]]>
Q(R4)=T4-T1RT41+T4-T2RT24+T4-T3RT34]]>……(式2)图6A、6B和图7A、7B示出采用在该图5的电路端子A、B之间连接了电压源(以下，SV1)的电路来进行电路仿真的例子。这里，为简单起见，元件间所有的热电阻一律取同样的值。
图6A、6B示出电压源SV1施加给电路的电压V1瞬间变化时(电源接通时)的电路仿真结果的例子(瞬间解析的例子)。图6A示出考虑了通过6个热电阻RT12、RT23、RT34、RT41、RT13、RT24进行元件间的热交换的本实施例之仿真结果的例子。此外，还得到将这6个热电阻去掉后各元件只有自身发热时的电路仿真结果。图6B示出只存在自身发热时的电路仿真结果。
此外，图7A、7B示出通过DC分析求出电压源SV1的电压V1和电阻元件温度的相关关系的例子。图7A示出存在由热电阻产生的元件的热交换的、本实施例的分析例子，图7B示出只有自身发热时的分析例子。
从图6A、6B和图7A、7B可知，在本实施例中，因考虑了元件之间的热交换，故能得到高精度的仿真结果。
其次，详细说明求出上述元件间的热电阻的方法。
如图8所示，首先，从作为仿真对象的半导体集成电路的布线图中抽出元件的位置和形状，并进行登录(步骤S11)。
接着，从在步骤S11中登录的各个元件中检测出相邻的元件，将元件相邻关系登录下来(步骤S12)。在元件相邻关系的信息中，包含指定相邻的元件的信息(例如，元件名称)和两端子间距离的信息。
接着，根据登录的各个相邻关系求出与相邻元件之间的热电阻值。该热电阻值可以根据与相邻元件之间的距离和其中间材料(Si，SiGe，其他)的热传导度计算出来(步骤S13)。
图9是表示图8的步骤S12的详细内容之一例的流程图。首先，假定从选出的任意元件的中心向8个方向延伸的直线(探测线)(步骤S21)，对各元件和探测线的交叉进行评估，将最短距离的元件作为相邻元件，将其相邻关系(包含相邻元件间的距离)登录下来(步骤S22)。判定是否选择的是同一元件(步骤S23)，若选择的是同一元件，则只进行最短距离登录，其余视为“没有元件”(步骤S24)。
图14A-14C示出采用图9的流程图表示的处理的具体例子。例如，当相邻近的元件较大时，如图14A所示，在右方向和右上方向将同一元件识别为最接近的元件。接着，如图14B所示，比较2个相邻关系的距离。接着，如图14C所示，只登录最短的相邻关系。
图10示出图9的步骤S22的详细情况。如图10的步骤S31～S37所示那样，在元件层中选择一个与热传导有关的层(步骤S31)，调查该层的元件是否与探测线交叉(步骤S32)。若是交叉，则当存在已检测出交叉的元件(步骤S33)、且离该元件的距离较近时(步骤S34)，将所选择的元件作为相邻元件，并和它们之间的距离一起登录下来(步骤S35)。当没有已检测出交叉的元件时，将所选择的元件作为相邻元件，并和它们之间的距离一起登录下来(步骤S35)。对所有与热传导有关的元件层执行该处理(步骤S36、S37)。即，在构成1个元件的多个层中，对所有有助于热传导的层进行处理。
进而，使用图11A-11D说明图8的步骤S12的一个具体例子。在图11中，说明和图4A-4C同样的电路。
如图11A所示，在所有元件中例如选择电阻元件R3，检测出和从电阻元件R3的中心向8个方向延伸的探测线相交的元件R1、R2、R4。
其次，如图11B所示，计算电阻元件R3和检测出的元件R1、R2、R4之间的距离L13、L23、L34，将元件R1、R2、R4作为电阻元件R3的相邻元件，和它们之间的距离一起进行登录。
其次，如图11C、11D所示，将选择的元件例如作为电阻元件R4，和上述同样地，检测出和电阻元件R4相邻的电阻元件R1、R2，计算电阻元件R4和电阻元件R1、R2的距离L14、L24，并进行登录。这里，由于和电阻元件R3的相邻关系及其距离L34已经登录完毕，故不再进行检测和登录。
以下，对于剩下的元件R1、R2，同样分别求出相邻的元件及其与该相邻元件之间的距离并进行登录。由此，对所有的元件都登录了它们的相邻关系。
这里，说明电阻元件之外的元件。电特性依据各个元件的器件模型。至于热特性，基本结构和电阻相同。即，因流过元件的电阻分量的电流而发热，即产生热量，其中一部分从元件直接向衬底放热。此外，和刚才所说明的一样，经由其热电阻分量向相邻的元件放出热量。
像以上所说明的那样，本发明对考虑了温度变化的电路仿真很有效。
权利要求
1.一种电路仿真方法，其特征在于，包括使用具有记述了已考虑所述元件的温度变化的电特性的电模型、和记述了所述元件的热特性的热模型之器件模型来表现仿真对象电路中的各个元件，同时，求出发生热交换的2个元件之间的热电阻值，再将所述热电阻值插入到与所述2个元件对应的所述器件模型的热模型之间，从而构成仿真电路的工序；以及通过分析所述仿真电路求出所述仿真对象电路中各元件的电特性和热特性的动态变化的工序。
2.权利要求1记载的电路仿真方法，其特征在于为了求出发生热交换的2个元件之间的热电阻值，构成所述仿真电路的工序包括作为产生所述热交换的2个元件，将相邻配置的2个元件从掩膜布线图中抽出的工序；以及根据所述相邻配置的2个元件之间的距离和所述2个元件之间的热传导度求出所述2个元件之间的热电阻值的工序。
3.一种器件模型，其特征在于为了表现仿真对象电路中的各个元件，具有记述了已考虑所述元件的温度变化的电特性之电模型和记述了所述元件的热特性之热模型。
4.一种仿真电路，其特征在于使用具有记述了已考虑所述元件的温度变化的电特性的电模型和记述了所述元件的热特性的热模型之器件模型来表现仿真对象电路中的各个元件，同时，将发生热交换的2个元件之间的热电阻值插入到与所述2个元件对应的所述器件模型的热模型之间。
全文摘要
使用兼具有表示元件的电特性的电模型和表示同一元件的热特性的热模型之器件模型，将构成所设计的半导体集成电路的多个元件全部变换成上述模型，同时，将热电阻插入到发生热交换的元件之间。由此，构成电和热的回路网。对该电和热的回路网建立电路方程式和热方程式，通过同时对它们求解，得到电路中各元件的电特性和热特性。由此，可以对电路中的各个元件得到能正确反映仿真过程中的温度变化的高精度的器件特性。
文档编号G06F17/50GK1707486SQ20051007601
公开日2005年12月14日 申请日期2005年6月3日 优先权日2004年6月4日
发明者米山慎一郎, 三岛英树 申请人:松下电器产业株式会社