基于三維SiP的高性能微處理器熱能關鍵技術研究.pdf

1、經過40多年的發(fā)展，集成電路工藝發(fā)展到深亞微米和超深亞微米階段，給高性能微處理器的發(fā)展帶來了很多困難和挑戰(zhàn)。二維集成技術的功耗問題、訪存問題、片上互連問題，制約著高性能微處理器性能的進一步提高。三維 SiP是一種新的集成電路封裝技術。通過在垂直方向堆疊多層芯片,三維 SiP可提高芯片的集成度，并有效地減少互連線長度，為設計高性能、高集成度的集成電路、多核/眾核微處理器提供了有利條件,是未來集成電路重要的發(fā)展趨勢。
　　三維集成電路

2、中，多層芯片的垂直堆疊在使芯片的功率密度急劇增加的同時，還減少了芯片的散熱表面積。由于中間芯片無法連接散熱器，高性能微處理器原本嚴重的溫度問題在三維 SiP中加劇，其性能和可靠性受到嚴重影響。因此在基于三維SiP的高性能微處理器中，溫度管理至關重要?；谌SSiP的高性能微處理器的設計和溫度管理很大程度取決于在芯片早期設計階段的熱分析的效果和溫度的分布、變化規(guī)律模擬的準確性。因此研究和建立精確、高效的熱模型是十分必要的。
　　傳統(tǒng)

3、的空冷散熱器已無法滿足基于三維 SiP的高性能微處理器的溫度過高引入的散熱需求。微通道液體冷卻技術通過在芯片間建立微通道，采用更高效液體冷卻散熱，可快速排出芯片中的熱量，降低芯片溫度，是三維 SiP的一種有效的散熱技術。3D-ICE是一種流行的微通道液體冷卻的三維集成電路的瞬態(tài)溫度模擬器，本文在利用3D-ICE對基于SiP的性能微處理器的模擬過程中發(fā)現(xiàn)，不同層間的溫度差異較大。而TSV作為三維SiP中重要的組成結構，由于采用高熱導率的金

4、屬，能促進三維集成電路層與層間的熱傳導。因此在進行溫度模擬的過程中考慮TSV對熱傳導的影響是很有必要的?；诖?，本文首先分析TSV的結構，根據(jù)其結構特點，對方形和圓形TSV在不同位置、結構的情況下進行熱建模。然后修改3D-ICE模擬器，使其能對TSV結構進行模擬，并對模擬器的正確性進行分析驗證，并分析TSV在不同布局、數(shù)量、大小時對三維集成電路的影響。最后利用修改后的模擬器分析了三維 SiP的散熱特點，并據(jù)此從靜態(tài)、動態(tài)兩個方面提出適用