三维封装系统TSV和微通道的热建模技术

为满足更高性能、更低功耗、更小尺寸和更低成本的要求,三维集成技术对于克服互连扩展的障碍极具吸引力,被认为是下一代集成电路最有潜力的发展方向。然而,由于晶体管密度大幅增加、有效散热面积减少,导致芯片温度升高,因此,有效的热管理成为三维集成电路(3D IC)解决方案中最关键的问题之一。使用硅通孔(TSV)技术对集成电路模型进行垂直集成被认为是开发新一代电子产品最可行的解决方案之一。TSV技术通过在上下层器件中插入TSV,使热量沿器件层传导至散热器,TSV是实现3D IC的关键组件。然而,含大量TSV的3D封装结构的精确建模非常复杂。例如,其由内部圆柱形金属导体及外部包裹的一层极薄的氧化层(微米级)所构成,引发了多尺度问题,使得三维封装结构的网格剖分非常密集,严重影响了求解效率。另外,在ICs层间集成微通道散热器,利用液体冷却循环系统带走器件产生的高热流,可明显改善系统的散热效果。3D IC的鲁棒性及后续的热管理在很大程度上依赖于设计初期对系统的精确建模分析,因此研究液冷对IC热行为的影响,以优化3D IC的性能、成本和可靠性是非常必要的。本文提出两种有效的TSV结构等效热建模方法,得到等效热导率计算公式;然后对焊点结构进行等效热参数提取;最后基于2电阻(2R)和4R结构的紧凑瞬态热模型方法,采用3D-ICE模拟器和MATLAB对典型3D IC中微通道液体冷却模型进行了热建模与热分析。