基于三維SiP的高性能微處理器熱能關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、經(jīng)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(shù)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(jìn)一步提高。三維 SiP是一種新的集成電路封裝技術(shù)。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(zhǎng)度，為設(shè)計(jì)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(shì)。
　　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(shí)，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(yán)重的溫度問題在三維 SiP中加劇，其性能和可靠性受到嚴(yán)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(guān)重要?；谌SSiP的高性能微處理器的設(shè)計(jì)和溫度管理很大程度取決于在芯片早期設(shè)計(jì)階段的熱分析的效果和溫度的分布、變化規(guī)律模擬的準(zhǔn)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(shù)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(shù)。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(duì)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(jié)構(gòu)，由于采用高熱導(dǎo)率的金

4、屬，能促進(jìn)三維集成電路層與層間的熱傳導(dǎo)。因此在進(jìn)行溫度模擬的過程中考慮TSV對(duì)熱傳導(dǎo)的影響是很有必要的?；诖耍疚氖紫确治鯰SV的結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)方形和圓形TSV在不同位置、結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行熱建模。然后修改3D-ICE模擬器，使其能對(duì)TSV結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并對(duì)模擬器的正確性進(jìn)行分析驗(yàn)證，并分析TSV在不同布局、數(shù)量、大小時(shí)對(duì)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(diǎn)，并據(jù)此從靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面提出適用