科研前線 | 給3D-IC降溫去火，西電微通道散熱研究成果發(fā)表

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盡在芯片揭秘●科研前線

八十年代，工程界和學(xué)術(shù)界提出了微通道散熱器，將高端液體冷卻系統(tǒng)帶入了工程應(yīng)用領(lǐng)域。如今，高端3D-IC產(chǎn)品的積熱散熱成為了一大難題，面對這一行業(yè)發(fā)展瓶頸，西電研究團隊進行了微通孔散熱結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新研究，相關(guān)成果刊載于封裝技術(shù)領(lǐng)域頂級期刊IEEE TCPMT。

通過先進封裝技術(shù)實現(xiàn)3D堆疊結(jié)構(gòu)，大大降低了多芯片互連的延遲與能耗，使得整體系統(tǒng)的性能和能效顯著提高。但隨著摩爾定律推動晶體管體積不斷縮小，芯片整體的熱密度也在不斷增加，積熱成為系統(tǒng)設(shè)計中不得不考慮的一大問題。

隨著3D集成技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的暴力風(fēng)冷散熱越來越不能滿足3D-IC的散熱需求，尤其在服務(wù)器等HPC和數(shù)據(jù)相關(guān)領(lǐng)域，問題尤其嚴(yán)重。在3D-IC中，通過TSV通孔改善了電路的信號傳輸，降低了互連延遲，但TSV導(dǎo)熱系數(shù)帶來的散熱問題不可忽視。

微通道散熱結(jié)構(gòu)是一種散熱解決方案，通過冷卻液體實現(xiàn)熱傳導(dǎo)和固液熱擴散，可以將3D-IC中的大量熱量排出，從而有效地解決芯片的積熱問題。目前大多數(shù)研究都是建立熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，分析微通道的散熱能力好壞和熱分布，但動態(tài)微通道散熱系統(tǒng)需要消耗額外的能量，復(fù)雜的微通道結(jié)構(gòu)也會增加制造難度。盡管微通道能提高芯片的散熱性能，但不合理的微通道設(shè)計也會額外增加成本。

西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院研究團隊針對這一空白領(lǐng)域進行了探索，相關(guān)成果以Optimization and Analysis of Microchannels Under Complex Power Distribution in 3-D ICs為題發(fā)表于IEEE TCPMT，宋棟梁為第一作者，董剛教授為通訊作者。

西電團隊基于等效電路法，建立了集成微通道的等效導(dǎo)熱系數(shù)模型?？紤]微通道幾何參數(shù)的變化和復(fù)雜的功率分布，研究了功率和冷卻液流量對3D-IC溫度的影響。并進一步提出了一種基于功率分布和結(jié)構(gòu)參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的微通道優(yōu)化模型，即功率自適應(yīng)微通道(power adaptive microchannel，以下簡稱PAMC)，針對器件層不同的熱功率分布設(shè)計了縱橫比不均勻的微通道，分別討論了無約束條件和兩種約束條件下的PAMC模型的散熱性能。具體研究內(nèi)容概括如下：

· 構(gòu)建了微通道的等效導(dǎo)熱系數(shù)模型；

· 研究了不同參數(shù)對溫度分布的影響；

· 提出了基于功率分布與結(jié)構(gòu)參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的PAMC模型；

· 采用有限元方法對微通道等效導(dǎo)熱系數(shù)模型和PAMC模型的冷卻效率進行了驗證。

結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的微通道分布模型相比，PAMC模型不僅能有效降低三維集成電路的峰值溫度，有效解決了層內(nèi)峰值溫度過高的問題，并且其冷卻效率比傳統(tǒng)模型提高了12.6%，為其他電路設(shè)計節(jié)省了更多空間。

3D-IC中微通孔示意圖

微通孔結(jié)構(gòu)模型與等效電路模型

不同面積因素對換熱特性的影響曲線

Q在α、β方向上的的變化

西電團隊提出了精確的等效導(dǎo)熱系數(shù)模型和3D-IC內(nèi)集成微通道的優(yōu)化模型，其提出的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有更好的散熱效率對于快速熱設(shè)計和節(jié)省電路設(shè)計空間具有重要意義，在芯片越來越熱的當(dāng)下，想必將能夠有用武之地，為業(yè)界提供更有效率、成本更低的冷卻解決方案。

董剛教授，西安電子科技大學(xué)博士生導(dǎo)師，本、碩、博畢業(yè)于在西安電子科技大學(xué)，并于2006年3月至6月赴比利時魯汶大學(xué)和IMEC，2008年11月至2009年11月赴美國西北大學(xué)開展合作研究。目前主要研究方向為系統(tǒng)集成和集成電路設(shè)計方法學(xué)。

主持和參加國家自然科學(xué)基金、國防預(yù)研基金、國防基礎(chǔ)科研、國防預(yù)研、省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目多項，在“Microelectronics Journal”、“Chinese Science Bulletin”、“Chinese Physics B”、“Chinese Journal of Electronics”、《物理學(xué)報》、《半導(dǎo)體學(xué)報》等國內(nèi)外核心刊物和學(xué)術(shù)會議上發(fā)表SCI/EI索引論文50余篇，申請/授權(quán)發(fā)明專利10余項，出版國家級規(guī)劃教材一部。