3D－IC 以及传热模型的重要性

本文要点

• 缩小集成电路的总面积是 3D-IC 技术的主要目标。
• 开发 3D-IC 的传热模型，有助于在设计和开发的早期阶段应对热管理方面的挑战。
• 开发 3D-IC 传热模型主要采用两种技术：分析法和数值计算法。 

传统的单裸片平面集成电路 (IC) 设计无法满足电子市场对高功率密度、高带宽和低功耗产品的要求。三维 (3D) 集成电路技术将多个芯片垂直堆叠，实现电气互连，具有更出众的优势。3D-IC 电路外形小巧，集成度更高、信号延迟更低，支持异构集成，这些先进的功能使之具有出色的电气性能。

3D-IC 设计的电能耗散水平和热密度较高，这为热管理带来了严峻的挑战。

然而，3D-IC 设计的电能耗散水平和热密度较高，这为热管理带来了严峻的挑战。为了克服 3D-IC 在热管理方面的限制，3D-IC 传热模型应运而生。3D-IC 传热模型有助于开发新的封装工艺。本文将讨论 3D-IC 及其传热模型。

3D-IC 技术

缩小集成电路的总面积是 3D-IC 技术的主要目标。3D-IC 的设计方法是垂直堆叠传统器件层或芯片，这些层和芯片之间实现了电气互连。3D-IC 技术提高了集成器件的功能、性能和封装密度。该技术能够减少信号延迟，提高片上通信速度。在 3D-IC 封装中，逻辑芯片和存储芯片之间的互连变得更短，从而提高了信号传输速度。3D-IC 的垂直集成密度和异构集成度更高，与系统级单芯片和层叠封装等替代方案相比更具优势。3D-IC 的集成方式可以是面对面集成，也可以是背对背集成。

3D-IC 可分为两类

3D 堆叠 IC

堆叠 IC 芯片并使用硅通孔 (TSV) 实现芯片互连。TSV 是制造 3D 堆叠 IC 的基本元素。通过 TVS 蚀刻过程钻出一个个孔，在其中填充钨、铜或多晶硅等导电材料。TSV 互连缩短了各层和芯片之间的路径，从而提高了互连密度，同时降低了功耗。

真正的 3D-IC

使用晶圆厂工艺在单个芯片上堆叠多个器件层。这种集成电路非常适合在既定的  footprint 区域集成更多晶体管。该技术有助于在最先进的节点上克服单裸片的限制。

3D-IC 的优势

设计成本低

在 3D-IC 中，所有功能都无需转移到先进的工艺节点，因此降低了设计成本。

易于实现高速传输

3D-IC 技术的互连长度更短，从而减少了信号延迟，有助于实现高速通信和传输。

电路微型化

层层堆叠有助于在 3D-IC 中集成大量晶体管。晶体管的密集化节省了空间，因此 3D-IC 非常适合紧凑型设备。

功耗低

3D-IC 不需要使用高功耗驱动器。相反，它们依赖低功耗的小型输入输出驱动器。3D-IC 的阻抗较低，这一点也有助于减少内部功率损耗。

带宽更高

3D-IC 可以提供更高的带宽特性。在 3D-IC 技术中，在处理器顶部堆叠高速缓冲存储器可增加带宽。

灵活

堆叠异构技术为 3D-IC 带来了灵活性。利用 3D-IC 中的异构集成技术，可以混合部署不同的制造处理器和节点。这有助于重新使用现有的芯片，而无需重新设计新的芯片，可无风险地降低成本。

3D-IC 技术中的传热模型

热管理是 3D-IC 技术面临的最大障碍之一。为了在既定的 footprint 内实现较高的功率密度，需要将器件层堆叠在一起。堆叠层的 footprint 是固定的，通电后会造成发热现象。复杂的结构再加上集成度高，增加了散热量和热密度。3D 堆叠 IC 技术本身就有温度过高的特点，会在 3D-IC 集成中引发灾难性故障。

要使 3D-IC 有效工作，就必须采取适当的散热措施。传统的空气散热方式不足以满足 3D-IC 的要求，需要设计复杂的热管理系统来动态控制 3D-IC 的温度。开发 3D-IC 的传热模型，有助于在设计和开发的早期阶段应对热管理方面的挑战。3D-IC 的传热模型可以解答基本的传热问题，要成功实施 3D-IC 技术，弄清楚这些问题非常重要。

图：由 Cadence Celsius Thermal Solver 生成的具有金属互连的封装内 3D 结构的温度分布图。

3D-IC 传热模型可用于分析 3D-IC 设计热管理的限制。该模型可充当一种辅助工具，用于针对 IC 冷却和封装方式实施合适的热管理方法，以适应 3D-IC 的散热需要。

分析法

分析传热模型，通过求解能量守恒方程和边界条件得出 3D-IC 结构的温度场。该方法可用于研究各种几何和热物理参数对 3D-IC 散热性能的影响。

数值计算法

当 3D-IC 具有复杂的结构和与温度相关的特性时，就很难推导出传热方程的精确解。在这种情况下，可对几何体进行离散化处理，求出方程的近似解，以此建立数值计算传热模型。数值计算法能够以可接受的准确度预测温度。

3D-IC 的传热模型可以确定结点温度和内部结构的峰值温度。传热模型还能确定 3D-IC 结构中的热点，帮助工程师设计有效的热管理技术。