電子晶片模組熱源辨識法
隨著電子產品功能之要求提高，積體電路製造技術及單體功能不斷地提升，高功率、小體積之電子或電腦元件已成為目前電路設計及製造的趨勢。由於電子產品藉由電能損益所散失的能量係以熱能的型態轉換發散，品質不穩定或不良的散熱設計即成為其失效及損害的因素。根據統計，工件工作溫度每增加10℃，其MTBF(Mean time between failures)值就會縮短一半。因此，為改善電子元件之穩定性及壽命，如何確保電子晶片元件之品質穩定及提出有效的散熱設計來解決高熱量之散熱問題，成為電子元件製造業愈來愈重視的問題。
在電子裝置的應用領域中，構裝電子元件冷卻技術的相關研究及發展，傳統上是以散熱片模組的設計利用自然對流(Natural convection)或強制對流(Forced convection)的手段為主。於是，有研究者針對散熱模組中的風扇結構進行實驗及理論分析。近年來，由於高功率電子元件發展迅速，利用循環水冷散熱，或是應用相變化之高焓差所製成的熱管(Heat pipe)、均熱片(Heat spreader)、及Vapor chamber等方法，逐漸引起產業界重視並積極投入人力研究。
然而，不論所使用的散熱系統及方法為何，在設計上的首要之務為確實掌握晶片模組封裝內部熱源之相關資訊，如溫度及散熱率等。此外，如為多晶片模組(Multi-Chip Module)構裝，則內部熱源之數目、幾何尺寸、及分佈位置等資訊，亦應一併考慮。晶片模組內部熱源的資訊愈準確，所設計的散熱系統的效能便愈高。
不過，由於我國之IC設計產業尚在起步階段，目前不論是電腦、顯示器、或3C產品所使用之晶片，主要製造商皆為美、日等國，我國廠商主要為中下游產業，如封裝、基板、NB組裝等。對於再更下游的模組廠而言，所得之電子晶片熱源規格，皆由國外製造商提供，其規格或因量測方法不同、或產品品質不一致、或品質隨時間長而改變等因素，造成標示規格與實際數據之間的誤差，其熱源誤差值甚至可達30%以上。因此，若無法快速驗證國外製造商電子晶片熱源規格，將導致設計過當或設計不足，一則增加成本，另一則可能使散熱系統失效。
現有電子構裝之溫度量測，僅能量測封裝表面溫度，封裝內部發熱晶片之溫度量測無法進行，使得電子晶片內部溫度監控不易。除非採用破壞性量測法，將熱耦線埋入封裝體內部，否則無法量測封裝內部發熱晶片之溫度。然而如此將造成封裝體材料的損壞。另外，雖可於IC製造過程中，利用微機電技術將micro-sensor預先植入IC半導體結構中，而測知其內部溫度。惟此作法將大量增加電子元件成本，目前實際上仍不可行。另一方面，利用X光檢測或超音波檢測系統雖可測知晶片內部發熱源之幾何影像,從而得知發熱源的數目、位置、及形狀，然而其設備費用過高，非一般中小產業所能負擔。
本研究室從事高功率散熱裝置開發多年，針對多晶片模組(Multi-Chip Module)構裝系統，發現主要技術困難即在於晶片內部熱源資料不足，無法快速驗證電子晶片熱源規格，致使在晶片品管檢測及散熱系統設計方面，僅能依據製造商所提供的額定規格或憑現場人員的實務經驗而大略估計，欠缺可靠且低成本的量測系統，極有必要發展可同時測出內部熱源溫度及辨識幾何影像之專用實驗技術。
近年來，逆向理論發展十分快速，目前已經廣泛地應用在不同領域。在熱傳方面，逆向熱傳分析被應用於物體表面熱邊界條件之預測，包括表面溫度[1]、熱傳量[2]、及對流熱傳係數[3]等之預測。同時，亦可用以決定材料的熱物性，包括熱傳導係數[4]及熱容量之預測[5]等。除此之外，逆向分析理論也被推展至形狀設計[6-10]及形狀辨識問題[11-16]上。
其中，針對於未知邊界之形狀辨識問題方面，Huang 和Chao [11]使用邊界元素法配合逆向熱傳理論，成功偵測未知邊界之形狀。除此之外，Cheng 和Chang [12]發展出一套有效之逆向熱傳方法，特別適用於複雜且不規則之內部未知邊界形狀辨識。Park 及Shin [13]也探討了一系列在自然對流條件下之形狀辨識問題，其可利用已知之邊界溫度條件來得知未知邊界之位置。此外，形狀辨識法也可應用於材料內部破壞區之辨識，如Santos [14]等人提出之數值模式，可在無需事先知道可能破壞區域之大致位置，即可將之辨識出來。Burczynski 和 Beluch [15] 則使用邊界元素法及逆向演化法，來辨識材料內部具多個分離破壞區域的問題。
逆向方法也被擴展至可同時辨識多個幾何及物理參數目標。例如：Lee [16]等人利用實驗量得之位移與計算出之位移之最小平方差的最小化法，同時決定一物體之未知幾何形狀及彈性材料特性量。Abou Khachfe及Jarny [17] 建立實驗設備及數值方法，藉由邊界溫度量測來預測一物體內之熱源位置及其隨時間變化的強度。此外，Niliot和Lefèvre [18] 在多個直線熱源之位置及強度未知時，利用紅外線熱影像顯示儀來量測溫度配合逆向方法來辨識一均質固體內部多個直線熱源之位置。
如前所述，電子元件發熱晶片一般情況是包覆於封裝體內部，所以難以得知內部晶片之資訊。由於封裝體內部發熱晶片之幾何及熱源條件，對於封裝體本身、散熱模組、及其周圍環境溫度有很大的影響，惟欲藉由直接量測來得知封裝體內部之資訊並不容易。有鑑於電子晶片模組熱源辨識器之應用潛力，本研究室擬建立一套非破壞性量測技術，藉由量測晶片模組外表面之溫度分佈資料，來辨識封裝體內部發熱晶片之溫度及其影像。
由於計算技術的發展及硬體計算工具的速度和記憶容量快速進步，已經促成逆向熱流分析技術與最佳化設計技術結合，並藉由擬真的後處理步驟，使設計者同時透過視覺及數據分析，在大量的幾何或物理條件下進行重覆的計算，同時配合最佳化搜尋程序，找出能使目標函數趨近最小值或最大值之組合，快速且準確完成系統的幾何或物理條件的辨識。
本研究室即曾提出適用於熱系統形體設計及形狀辨識之逆向熱流分析[23]。該法係利用直接數值微分法進行敏感度分析，利用自行建構的正向模擬計算程式，並使用自行發展的重分配(redistribution)技巧來維持最佳化演算過程中的數值穩定。此法已成功應用於電子構裝外曲線之最佳化[24]、儲冰球內部冰晶厚度之辨識[25]、Slider動壓面之形狀設計[26]、及電熱元件之溫度之辨識[27]等研究中，成果已陸續於國際工程期刊發表。
本研究目標，即將逆向熱流分析引入晶片模組的辨識中，並配合紅外線熱像儀量測封裝體外表面之溫度分佈，將理論與實務結合，利用電腦連續且快速的計算，發展電子晶片模組熱源辨識器，可用於辨識晶片內部熱源並監控封裝晶片內部溫度，在晶片品管檢測及散熱系統設計方面，將具有很大的實務應用效益。
研究方法及原因:
圖(一)(a)所示即為Intel製造之Pentium-4晶片，係為一單晶片模組。如為多晶片模組，則內部將包括多個熱源，如圖(一)(b)所示者，即為內部具多熱源之多晶片模組(MCM)表面溫度分佈。由於內部晶片持續運轉時會發出熱量，因此在晶片模組外表面產生溫度分佈。
圖(二)顯示本研究分析辨識器之整合結構。其中，正向解資料庫單元方面，擬一方面自建可分析晶片模組熱傳輸現象之三維正向模擬計算程式，另一方面則嘗試整合商用軟體(如CFD-RC)，藉由商用軟體完成的前處理功能，提升辨識器的實用性。自建程式整合性較高，而商用軟體處理複雜問題的功能較強，二者各有優缺點，有必要將二者所得解析結果相互補充及比對，以提昇自建程式的功能。另外，利用晶片模組的實驗測試，亦可建立大量的實驗數據，以作為正向解資料庫單元使用，此部分資料亦將建立，以求驗證。
此外，本研究並將發展界面技術，將三維正向模擬計算程式與最佳化單元結合。目前，一般商用軟體分析功能強，但最佳化的功能弱且整合界面開放性不足。必需突破不同分析軟體的結合界面，並針對平台的相容性進行整合。此有待自行開發界面軟體，以轉換資料，同時配合商用軟體要求作設定。若干軟體之設定格式或設定資料的定義上，說明並不清楚，此部份困難亦有待克服。本研究擬嘗試以Python語言發展界面軟體。Python語言是近年來崛起之開放性、跨平台、跨作業系統的電腦語言。目前，具備Python界面的商用分析軟體有增加的趨勢，極適合作為界面語言。而在最佳化單元方面，將使用敏感度分析及共軛梯度法自建最佳化搜尋法，並嘗試利用最佳化整合軟體(EpogyTM)來整合正向解資料庫單元及界面軟體。如此，經由測試比較，將可決定辨識器之最有效率之整合結構。
由於晶片模組系統包含不同結構及元件，幾何參數眾多。本研究集中以發熱晶片之溫度及其影像為辨識目標，暫不考慮其他結構元件，以避免問題過於龐大。本研究之辨識流程，簡示於圖(三)。
本研究發展之辨識法擬以點矩陣式圖案來顯出晶片影像，如同網版印刷而無需做複雜之格點轉換，故可辨識出任意形狀之影像。除此之外，其目標函數之定義亦不受任何數學形式之限制，故此方法用於電子封裝材料內之熱源辨識相當合適。
圖(四)顯示利用逆向理論與點矩陣式圖案法應用於晶片熱源辨識的疊代過程及結果。
圖(二) 辨識器架構圖。
圖(三) 辨識流程圖。
