考慮硅通孔的三維集成電路熱傳輸解析模型

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1、物理學(xué)報ActaPhys．Sin．Vo1．60，No．I1(2011J118001考慮硅通孔的三維集成電路熱傳輸解析模型木朱樟明左平楊銀堂(西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院，西安710071)(2010年7月3日收到；2011年5月14日收到修改稿)基于不考慮硅通孔的N層疊芯片的一維熱傳輸解析模型，提出了硅通孔的等效熱模型，獲得了考慮硅通孔的三維集成電路熱傳輸解析模型，并采用Matlab軟件驗證分析了硅通孔對三維集成電路熱管理的影響．分析結(jié)果表明，硅通孔能有效改善三維集成電路的散熱，硅通孔的間距增大將使三維集成電路的溫升變大．關(guān)鍵詞：三維集成電路，熱管理，硅通孔，等效熱模型PACS

2、：80．30．一r．84．40．Bw3D集成電路熱管理的影響；文獻[7]提出了將3D1．引言集成電路中的功耗分布轉(zhuǎn)換為溫度分布的數(shù)值模擬方法；文獻[8，9]則通過分析硅通孑L或互連線的三維(3D)集成電路作為立體集成芯片系統(tǒng)，通布局來優(yōu)化3D集成電路中的散熱．然而以上研究過將芯片層疊，采用短的垂直互連線將各層二維芯所給出的多層疊層芯片熱傳輸?shù)慕馕瞿Ｐ筒]有片連接起來，從而實現(xiàn)系統(tǒng)集成，避免了系統(tǒng)芯片考慮到TSV影響．(SOC)中一些長互連線，因此3D集成電路能有效本文在考慮TSV對3D集成電路熱管理影響的解決系統(tǒng)芯片(SOC)的互連功耗和互連延遲等性能基礎(chǔ)上，提出一種N層芯片

3、熱傳輸?shù)囊痪S解析模問題，也能緩解SOC研發(fā)及制造成本費用過高的問型．論文首先提出忽略TSV時N層疊芯片的一維熱題，將成為更高系統(tǒng)集成芯片的集成方式．然傳輸解析模型，進一步在考慮TSV基礎(chǔ)上提出等效而，3D集成電路還存在許多方面的問題’，如設(shè)熱阻的概念，提出考慮硅通孔的3D集成電路熱傳計規(guī)則和設(shè)計軟件沒有普遍制定和開發(fā)；測試方法輸解析模型，并利用Matlab軟件分析比較TSV對和設(shè)備缺乏；不同二維芯片速度和尺寸之間的匹3D集成電路熱管理的影響．配；晶圓減薄問題；熱管理問題；硅通孔(TSV)制作的高成本問題等等．在影響3D集成電路發(fā)展的各2．不考慮TSV的Ⅳ層芯片熱傳輸?shù)囊环N問題

4、中，熱管理無疑是最為重要的因素之一．這維解析模型是因為]：(1)微型封裝中的層疊芯片產(chǎn)生的熱流非常高；(2)3D集成電路增加了單位表面積的功由于多種熱源的存在，實際3D集成電路中的率；(3)如果冷卻不充分將會導(dǎo)致3D層疊中的芯片熱傳輸分析是非常復(fù)雜的，圖1為Ⅳ層疊芯片示意發(fā)生過熱；(4)層疊芯片之間的空間太小，從而導(dǎo)致圖及其一維熱傳輸模型¨?．建立冷卻通道困難．基于以上原因，提出一些低成假設(shè)每個芯片層所產(chǎn)生的熱量是均勻分布的，本且有效的熱管理設(shè)計規(guī)則和解決方法就非常有并且熱流只是從垂直于芯片的方向進行的，也忽略必要．了每個芯片層熱量的橫向擴散．此外，Ⅳ層芯片一般文獻[5]提出

5、了集成電路微互連結(jié)構(gòu)的焦耳熱是通過適當(dāng)?shù)酿ず霞夹g(shù)連接在一起的．我們用和解析模型；文獻[6]使用有限元工具分析了TSV對R分別表征芯片層和粘合層的熱阻，那么相鄰節(jié)點}國家自然科學(xué)基金(批準號：60725415，60676009)、國家重大科技專項(批準號：2009ZX01034-002-001-005)、國家重點實驗室基金(批準號：ZHD200904)和西安AM創(chuàng)新基金(批準號：XA．AM-200907)資助的課題．·7@2011中國物理學(xué)會ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．．棚物理學(xué)報ActaPhys．Sin．Vo1．60。No．11(2

6、011)118001之間熱阻R，就可以簡單表示為R和R之和．基于以上假設(shè)，則圖1所示的一維熱傳輸模型包含了ⅣF=個熱源和Ⅳ+2個熱阻(其中R和R。分別代表熱1++r。-一=沉和封裝的熱阻)，R為節(jié)點和一1之間的熱阻ml其中r和分別表示第m層芯片和封裝被R無量(其中．代表粘合層的層號，下同)，和Q分別代綱化后的熱阻，即r=，=Rpk表節(jié)點處的溫度和產(chǎn)生的熱量，Tamb代表外部環(huán)境．代表第層芯的溫度，q代表從流向J一1的熱量，熱阻網(wǎng)絡(luò)中每片相對外部環(huán)境升高的溫度(其中i代表芯片層的個節(jié)點產(chǎn)生的熱量通過熱沉或者封裝傳遞到外部層號，下同)，即0=Ti—T．環(huán)境．方程(6)為不同芯片層

7、的溫度分布解析模型，對于3D集成電路設(shè)計過程中可能遇到的一些關(guān)鍵熱分析問題是有幫助的，如芯片的最高溫度及其出z．a(chǎn)mbpk現(xiàn)的位置、熱沉和封裝熱阻對各層溫度的影響、不同層的熱優(yōu)化問題等．3．考慮TSV的Ⅳ層芯片熱傳輸?shù)囊痪S解析模型第二部分的討論只是針對芯片層疊的簡單情形，并未考慮到TSV對芯片溫度的影響．然而在實際3D集成電路中，TSV是必需的?．TSV為3D集成電路的實現(xiàn)提供了至少兩方面的益處：其一，TSV實現(xiàn)了層疊芯片之間的信號通路，從而代替了圖1N層疊芯片示意圖及其一維熱傳輸模型(a)Ⅳ層疊芯片2