基于微流道的三维集成电路热管理研究

三维集成电路由于互连延时小、可实现异质集成、集成度高和提高了数据传输带宽等优点已成为近年来的研究热点。但是由于其功耗密度大、芯片封装密度高,同时传统的空气散热方式传热路径太长已不能满足三维集成电路的散热要求,使得三维集成电路面临严峻的热管理问题。有效的新型热管理方式已经成为三维集成电路急需解决的问题。本文针对三维集成电路开展了微流道热管理研究。在国内外对微流道研究的基础上,确定了微流道的基本性能参数,探究了三维集成电路中微流道的工作原理。首先在COMSOL中建立了矩形微流道的三维集成电路模型,研究了微流道的结构参数和不同约束条件对微流道散热能力的影响,并在功率密度为250W/cm~2时,在流量、压力降和泵功耗共同约束下,得到了微流道数量为130,比例因子α、β分别取最小值0.2和最大值0.6时,微流道散热器的最优结构,此时芯片的最高温度为320.37K。其次,为了实现电信号传输过程中,电学硅通孔(Through-Silicion-Via,TSV)与微流道在布线空间和芯片厚度方面的折衷,同时满足三维集成电路的散热和电学性能需求,针对电学TSV和微流道开展了一致性设计。结果表明,TSV直径取较小值,TSV纵横比取较大值时,既满足微流道的散热能力,同时TSV的电学性能满足要求。最后,针对基于微流道散热的三维集成电路建立了热阻模型,为了全面地验证模型的正确性,分别改变微流道的结构,流量和芯片器件层的功率密度进行了仿真计算,对比了热阻模型的仿真结果与COMSOL的仿真结果,结果中最大误差为1.2%,从而验证了模型的正确性。该热阻模型可有效降低微流道的设计成本,提高设计效率。