基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法及装置

本发明涉及温度场表征，具体涉及一种基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法及装置。

背景技术：

1、在竞争较为激烈的市场环境下，热可靠性技术对于研发一款成熟的集成电路产品来说至关重要，而温度场表征方法是评价热可靠性的基础。目前国内对于温度场表征方法缺乏系统性的研究，相关的数据和信息都较少，如何准确而全面地对温度场进行表征是个难点问题。同样，特性表征不准确、不全面将对热可靠性产生严重影响。由于现有集成电路逐渐向高功率密度和局部多热点的方向发展，导致集成电路性能下降，寿命缩短。因此，针对高热流密度、非均匀温度场的特点，重点开展温度场表征方法的研究变得尤其迫切。

2、目前表征方法主要分成两类，第一类是在设计阶段，通过建模仿真和热阻计算的方式对集成电路产品进行热表证；第二类是在成品阶段，通过对成品集成电路利用热成像等方法进行表征。市场上大多数集成电路产品的表征方法还停留在成品阶段，然而该类表征方法周期较长，成本较高。设计阶段的表征方法时间短、成本低、灵活易实现，但现有研究针对温度场表征方法存在算法复杂、表征不全面、表征不准确等各种问题。

3、以微系统为例，微系统具有高热流密度和局部热点的特点，其温度场较为复杂，对微系统温度场表征结果的准确性要求也相对较高。温度场方差、图像熵等方法是常用的温度场表征方法，但是这些方法准确性不高，且不能有效表征瞬态温度场时-空局部变化特征，以及热流传导路径和热传导机制。

技术实现思路

1、为有效解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法及装置，可以通过梯度模和热流方向因子这两个特征参数定量表征瞬态温度场时-空局部变化特征以及热流传导路径和热传导机制。

2、本发明一方面提供一种基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，包括：建立待表征物体的几何模型和物理模型；采用数值模拟法对物理模型进行瞬态热模拟，得到瞬态热模拟结果；采用梯度模和/或热流方向因子对瞬态热模拟结果进行表征。其中，梯度模用于表征待表征物体中温度场最大变化率的值及空间位置，热流方向因子用于表征待表征物体中温度场热流的传导路径和热传导机制。

3、在一些示意性实施例中，几何模型和物理模型包括二维模型；建立待表征物体的几何模型和物理模型，包括：建立待表征物体的几何模型；对几何模型进行网格化剖分；基于剖分后的几何模型，定义待表征物体的热学参数，建立物理模型。

4、在一些示意性实施例中，数值模拟法包括广义高阶有限差分算法；采用数值模拟法对物理模型进行瞬态热模拟，得到瞬态热模拟结果，包括：设定物理模型的初始条件、边界条件和热源；采用广义高阶有限差分算法求解物理模型的二维瞬态热传导方程；根据二维瞬态热传导方程，采用广义高阶有限差分算法对物理模型进行瞬态热模拟，得到瞬态热模拟结果。

5、在一些示意性实施例中，热模拟分析结果包括瞬态温度场和稳态温度场。

6、在一些示意性实施例中，通过待表征物体中温度场的梯度矢量，计算梯度模，其中，温度场的梯度矢量的方向是温度场变化率最大的方向，温度场的梯度矢量的方向指向温度增加的方向，且平行于温度场等值线的法线方向。

7、在一些示意性实施例中，梯度模根据以下公式计算得出：

8、

9、式中，|g|为梯度模，g为温度场的梯度矢量，为哈米尔顿算子，t为温度场，x、y为温度场的坐标方向。

10、在一些示意性实施例中，通过待表征物体中温度场在不同方向上的梯度，计算热流方向因子。

11、在一些示意性实施例中，热流方向因子根据以下公式计算得出：

12、

13、式中，hfdf(heat flux direction factor)为热流方向因子，gx，gy分别表示温度场的x和y方向上的梯度。

14、在一些示意性实施例中，待表征物体包括微系统。

15、本发明另一方面提供一种基于梯度模和热流方向因子的温度场表征装置，包括：模型构建模块，建立待表征物体的几何模型和物理模型；热模拟模块，采用数值模拟法对物理模型进行瞬态热模拟，得到瞬态热模拟结果；表征模块，采用梯度模和/或热流方向因子对瞬态热模拟结果进行表征。其中，梯度模用于表征待表征物体中温度场最大变化率的值及空间位置，热流方向因子用于表征待表征物体中温度场热流的传导路径和热传导机制。

16、本发明提供的一种基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法及装置，提出了梯度模和热流方向因子两种新的表征参数，梯度模可以更清晰地表征梯度值的大小，并且可以定量分析温度场变化的空间位置；热流方向因子可以有效表征瞬态温度场时-空变化特征，且可以动态展示温度场热流的传导过程，为揭示热传导机制提供了一种有效手段。

技术特征：

1.一种基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，其特征在于，所述几何模型和物理模型包括二维模型；所述建立待表征物体的几何模型和物理模型；包括：

3.根据权利要求1所述的基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，其特征在于，所述数值模拟法包括广义高阶有限差分算法；

4.根据权利要求3所述的基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，其特征在于，所述瞬态热模拟分析结果包括瞬态温度场和稳态温度场。

5.根据权利要求1所述的基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，其特征在于，通过所述待表征物体中温度场的梯度矢量，计算所述梯度模，

6.根据权利要求5所述的基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，其特征在于，所述梯度模根据以下公式计算得出：

7.根据权利要求1所述的基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，其特征在于，通过所述待表征物体中温度场在不同方向上的梯度，计算所述热流方向因子。

8.根据权利要求1所述的基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，其特征在于，所述热流方向因子根据以下公式计算得出：

9.根据权利要求1～8中任一所述的基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，其特征在于，所述待表征物体包括微系统。

10.一种基于梯度模和热流方向因子的温度场表征装置，其特征在于，包括：

技术总结
本发明提供一种基于梯度模和热流方向因子的温度场表征方法，包括：建立待表征物体的几何模型和物理模型；采用数值模拟法对物理模型进行瞬态热模拟，得到瞬态热模拟结果；采用梯度模和/或热流方向因子对瞬态热模拟结果进行表征，其中，梯度模用于表征待表征物体中温度场最大变化率的值及空间位置，热流方向因子用于表征待表征物体中温度场热流的传导路径和热传导机制。本发明的梯度模可以更清晰地表征梯度值的大小，并且可以定量分析温度场变化的空间位置；热流方向因子可以有效表征瞬态温度场时‑空变化特征，且可以动态展示温度场热流的传导过程，为揭示热传导机制提供了一种有效手段。

技术研发人员：裴艳荣,李文昌
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/6/23