考虑硅通孔的三维集成电路热传输解析模型

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．60，No．I1(2011J118001考虑硅通孔的三维集成电路热传输解析模型木朱樟明左平杨银堂(西安电子科技大学微电子学院，西安710071)(2010年7月3日收到；2011年5月14日收到修改稿)基于不考虑硅通孔的N层叠芯片的一维热传输解析模型，提出了硅通孔的等效热模型，获得了考虑硅通孔的三维集成电路热传输解析模型，并采用Matlab软件验证分析了硅通孔对三维集成电路热管理的影响．分析结果表明，硅通孔能有效改善三维集成电路的散热，硅通孔的间距增大将使三维集成电路的温升变大．关键词：三维集成电路，热管理，硅通孔，等效热模型PACS

2、：80．30．一r．84．40．Bw3D集成电路热管理的影响；文献[7]提出了将3D1．引言集成电路中的功耗分布转换为温度分布的数值模拟方法；文献[8，9]则通过分析硅通孑L或互连线的三维(3D)集成电路作为立体集成芯片系统，通布局来优化3D集成电路中的散热．然而以上研究过将芯片层叠，采用短的垂直互连线将各层二维芯所给出的多层叠层芯片热传输的解析模型并没有片连接起来，从而实现系统集成，避免了系统芯片考虑到TSV影响．(SOC)中一些长互连线，因此3D集成电路能有效本文在考虑TSV对3D集成电路热管理影响的解决系统芯片(SOC)的互连功耗和互连延迟等性能基础上，提出一种N层芯片

3、热传输的一维解析模问题，也能缓解SOC研发及制造成本费用过高的问型．论文首先提出忽略TSV时N层叠芯片的一维热题，将成为更高系统集成芯片的集成方式．然传输解析模型，进一步在考虑TSV基础上提出等效而，3D集成电路还存在许多方面的问题’，如设热阻的概念，提出考虑硅通孔的3D集成电路热传计规则和设计软件没有普遍制定和开发；测试方法输解析模型，并利用Matlab软件分析比较TSV对和设备缺乏；不同二维芯片速度和尺寸之间的匹3D集成电路热管理的影响．配；晶圆减薄问题；热管理问题；硅通孔(TSV)制作的高成本问题等等．在影响3D集成电路发展的各2．不考虑TSV的Ⅳ层芯片热传输的一种问题

4、中，热管理无疑是最为重要的因素之一．这维解析模型是因为]：(1)微型封装中的层叠芯片产生的热流非常高；(2)3D集成电路增加了单位表面积的功由于多种热源的存在，实际3D集成电路中的率；(3)如果冷却不充分将会导致3D层叠中的芯片热传输分析是非常复杂的，图1为Ⅳ层叠芯片示意发生过热；(4)层叠芯片之间的空间太小，从而导致图及其一维热传输模型¨⋯．建立冷却通道困难．基于以上原因，提出一些低成假设每个芯片层所产生的热量是均匀分布的，本且有效的热管理设计规则和解决方法就非常有并且热流只是从垂直于芯片的方向进行的，也忽略必要．了每个芯片层热量的横向扩散．此外，Ⅳ层芯片一般文献[5]提出

5、了集成电路微互连结构的焦耳热是通过适当的黏合技术连接在一起的．我们用和解析模型；文献[6]使用有限元工具分析了TSV对R分别表征芯片层和粘合层的热阻，那么相邻节点}国家自然科学基金(批准号：60725415，60676009)、国家重大科技专项(批准号：2009ZX01034-002-001-005)、国家重点实验室基金(批准号：ZHD200904)和西安AM创新基金(批准号：XA．AM-200907)资助的课题．·7@2011中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．．棚物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．60。No．11(2

6、011)118001之间热阻R，就可以简单表示为R和R之和．基于以上假设，则图1所示的一维热传输模型包含了ⅣF=个热源和Ⅳ+2个热阻(其中R和R。分别代表热1++r。-一=沉和封装的热阻)，R为节点和一1之间的热阻ml其中r和分别表示第m层芯片和封装被R无量(其中．代表粘合层的层号，下同)，和Q分别代纲化后的热阻，即r=，=Rpk表节点处的温度和产生的热量，Tamb代表外部环境．代表第层芯的温度，q代表从流向J一1的热量，热阻网络中每片相对外部环境升高的温度(其中i代表芯片层的个节点产生的热量通过热沉或者封装传递到外部层号，下同)，即0=Ti—T．环境．方程(6)为不同芯片层

7、的温度分布解析模型，对于3D集成电路设计过程中可能遇到的一些关键热分析问题是有帮助的，如芯片的最高温度及其出z．ambpk现的位置、热沉和封装热阻对各层温度的影响、不同层的热优化问题等．3．考虑TSV的Ⅳ层芯片热传输的一维解析模型第二部分的讨论只是针对芯片层叠的简单情形，并未考虑到TSV对芯片温度的影响．然而在实际3D集成电路中，TSV是必需的⋯．TSV为3D集成电路的实现提供了至少两方面的益处：其一，TSV实现了层叠芯片之间的信号通路，从而代替了图1N层叠芯片示意图及其一维热传输模型(a)Ⅳ层叠芯片2