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，工程界和學術界提出了微通道散熱器，將高端液體冷卻系統(tǒng)帶入了工程應用領域。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，相關成果刊載于封裝技術領域頂級期刊IEEE TCPMT。

通過先進封裝技術實現(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)設計中不得不考慮的一大問題。

隨著3D集成技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的暴力風冷散熱越來越不能滿足3D-IC的散熱需求，尤其在服務器等HPC和數(shù)據(jù)相關領域，問題尤其嚴重。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計也會額外增加成本。

西安電子科技大學微電子學院研究團隊針對這一空白領域進行了探索，相關成果以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熱系數(shù)模型?？紤]微通道幾何參數(shù)的變化和復雜的功率分布，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計和節(jié)省電路設計空間具有重要意義，在芯片越來越熱的當下，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，西安電子科技大學博士生導師，本、碩、博畢業(yè)于在西安電子科技大學，并于2006年3月至6月赴比利時魯汶大學和IMEC，2008年11月至2009年11月赴美國西北大學開展合作研究。目前主要研究方向為系統(tǒng)集成和集成電路設計方法學。

主持和參加國家自然科學基金、國防預研基金、國防基礎科研、國防預研、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”、《物理學報》、《半導體學報》等國內(nèi)外核心刊物和學術會議上發(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。