3D－IC 以及傳熱模型的重要性

本文要點

• 縮小集成電路的總麵積是 3D-IC 技術的主要目標。
• 開發 3D-IC 的傳熱模型，有助於在設計和開發的早期階段應對熱管理方麵的挑戰。
• 開發 3D-IC 傳熱模型主要採用兩種技術：分析法和數值計算法。 

傳統的單裸片平麵集成電路 (IC) 設計無法滿足電子市場對高功率密度、高帶寬和低功耗産品的要求。三維 (3D) 集成電路技術將多個芯片垂直堆疊，實現電氣互連，具有更出衆的優勢。3D-IC 電路外形小巧，集成度更高、信號延遲更低，支持異構集成，這些先進的功能使之具有出色的電氣性能。

3D-IC 設計的電能耗散水平和熱密度較高，這為熱管理帶來了嚴峻的挑戰。

然而，3D-IC 設計的電能耗散水平和熱密度較高，這為熱管理帶來了嚴峻的挑戰。為了克服 3D-IC 在熱管理方麵的限製，3D-IC 傳熱模型應運而生。3D-IC 傳熱模型有助於開發新的封裝工藝。本文將討論 3D-IC 及其傳熱模型。

3D-IC 技術

縮小集成電路的總麵積是 3D-IC 技術的主要目標。3D-IC 的設計方法是垂直堆疊傳統器件層或芯片，這些層和芯片之間實現了電氣互連。3D-IC 技術提高了集成器件的功能、性能和封裝密度。該技術能夠減少信號延遲，提高片上通信速度。在 3D-IC 封裝中，邏輯芯片和存儲芯片之間的互連變得更短，從而提高了信號傳輸速度。3D-IC 的垂直集成密度和異構集成度更高，與係統級單芯片和層疊封裝等替代方案相比更具優勢。3D-IC 的集成方式可以是麵對麵集成，也可以是背對背集成。

3D-IC 可分為兩類

3D 堆疊 IC

堆疊 IC 芯片並使用矽通孔 (TSV) 實現芯片互連。TSV 是製造 3D 堆疊 IC 的基本元素。通過 TVS 蝕刻過程鑽出一個個孔，在其中填充鎢、銅或多晶矽等導電材料。TSV 互連縮短了各層和芯片之間的路徑，從而提高了互連密度，同時降低了功耗。

真正的 3D-IC

使用晶圓廠工藝在單個芯片上堆疊多個器件層。這種集成電路非常適合在既定的  footprint 區域集成更多晶體管。該技術有助於在最先進的節點上克服單裸片的限製。

3D-IC 的優勢

設計成本低

在 3D-IC 中，所有功能都無需轉移到先進的工藝節點，因此降低了設計成本。

易於實現高速傳輸

3D-IC 技術的互連長度更短，從而減少了信號延遲，有助於實現高速通信和傳輸。

電路微型化

層層堆疊有助於在 3D-IC 中集成大量晶體管。晶體管的密集化節省了空間，因此 3D-IC 非常適合緊湊型設備。

功耗低

3D-IC 不需要使用高功耗驅動器。相反，它們依賴低功耗的小型輸入輸出驅動器。3D-IC 的阻抗較低，這一點也有助於減少內部功率損耗。

帶寬更高

3D-IC 可以提供更高的帶寬特性。在 3D-IC 技術中，在處理器頂部堆疊高速緩沖存儲器可增加帶寬。

靈活

堆疊異構技術為 3D-IC 帶來了靈活性。利用 3D-IC 中的異構集成技術，可以混合部署不同的製造處理器和節點。這有助於重新使用現有的芯片，而無需重新設計新的芯片，可無風險地降低成本。

3D-IC 技術中的傳熱模型

熱管理是 3D-IC 技術麵臨的最大障礙之一。為了在既定的 footprint 內實現較高的功率密度，需要將器件層堆疊在一起。堆疊層的 footprint 是固定的，通電後會造成發熱現象。複雜的結構再加上集成度高，增加了散熱量和熱密度。3D 堆疊 IC 技術本身就有溫度過高的特點，會在 3D-IC 集成中引發災難性故障。

要使 3D-IC 有效工作，就必須採取適當的散熱措施。傳統的空氣散熱方式不足以滿足 3D-IC 的要求，需要設計複雜的熱管理係統來動態控製 3D-IC 的溫度。開發 3D-IC 的傳熱模型，有助於在設計和開發的早期階段應對熱管理方麵的挑戰。3D-IC 的傳熱模型可以解答基本的傳熱問題，要成功實施 3D-IC 技術，弄清楚這些問題非常重要。

圖：由 Cadence Celsius Thermal Solver 生成的具有金屬互連的封裝內 3D 結構的溫度分佈圖。

3D-IC 傳熱模型可用於分析 3D-IC 設計熱管理的限製。該模型可充當一種輔助工具，用於針對 IC 冷卻和封裝方式實施合適的熱管理方法，以適應 3D-IC 的散熱需要。

分析法

分析傳熱模型，通過求解能量守恆方程和邊界條件得出 3D-IC 結構的溫度場。該方法可用於研究各種幾何和熱物理參數對 3D-IC 散熱性能的影響。

數值計算法

當 3D-IC 具有複雜的結構和與溫度相關的特性時，就很難推導出傳熱方程的精確解。在這種情況下，可對幾何體進行離散化處理，求出方程的近似解，以此建立數值計算傳熱模型。數值計算法能夠以可接受的準確度預測溫度。

3D-IC 的傳熱模型可以確定結點溫度和內部結構的峰值溫度。傳熱模型還能確定 3D-IC 結構中的熱點，幫助工程師設計有效的熱管理技術。