[发明专利]一种三维堆叠芯片热仿真模型建立及热点温度预测方法

说明书

本发明公开了一种三维堆叠芯片热仿真模型建立及热点温度预测方法，涉及集成电路领域，该三维堆叠芯片的热仿真模型建立方法包括：将3D芯片的相关几何构型信息和热属性相关参数录入有限元软件，进行3D芯片模型的绘制；设置3D芯片模型各部分的有效热导率，并将3D芯片模型置于冷却流体环境中，并进行相关仿真参数设置；基于有限元软件进行仿真计算，得到3D芯片模型在环境温度和对流传热冷却条件下的温度分布及热点温度信息。本发明能够有效提升建模分析方法的利用效率。

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种三维堆叠芯片的热仿真模型建立方法和一种三维堆叠芯片的热点温度预测方法。

背景技术

由于便携式通信设备（如笔记本电脑、智能手机、智能手表等）的高速发展，当前的集成电路技术已不足以满足未来电子系统的需求，这些系统需要多个子系统的结合（例如传感器、执行器、内存等），且互相之间具有高效处理能力，同时需要最小的占地面积和功耗。因此，三维（3D）集成电路是最有希望满足小型化系统未来需求的解决方案。通过组装多个电子芯片，将它们与硅通孔（Through Silicon Via ，简称TSV）连接在一起以制造3D集成电路，从而使整个系统集成起来。与传统的2D技术相比，3D IC（Integrated circuit，集成电路）提供了卓越的性能，因其结构的功能块间更接近，从而导致可访问的邻居单元数量更多，带宽更高。此外，更短的互连减小了电容，显著降低了芯片系统的总功率，而且还将同步开关事件引起的噪声降至最低，同时具有更高的包装密度，紧凑的占地面积和增强的功能。

随着芯片密度和时钟频率的不断提高，热管理已成为开发3D集成系统的关键问题。热特性将极大地影响电路架构的设计、性能和可靠性。由于介电材料的导热性差，会引起较高的热点温度，导致芯片总体性能较差，相关研究已经表明，结温每升高10 摄氏度，在更高的功率密度和更低的3D结构表面积与体积比影响下，时钟缓冲器性能就会降低1.2％。而且，3D IC中的热点会加速诸如结泄漏和电迁移之类的故障机制，从而导致器件性能下降并降低集成系统的可靠性和使用寿命。因此，对3D IC进行热分析不仅对了解该技术的局限性至关重要，而且对于找到最佳设计结构以最大程度地降低热点温度至关重要。

当前，已经提出了几种解决3D IC散热问题的技术，包括任务调度、布局规划、新型材料（例如碳纳米管、石墨烯）和新型冷却技术（例如热管、微通道）等。但3D IC的散热问题必须从芯片设计的初始阶段就开始考虑，包括处理器核心数量和位置在内的各种参数都会影响功率和散热性能。因此，必须在设计阶段进行详细的热分析，以实施最有效的热管理技术。

因3D IC集成电路系统中的晶体管数量、互连信息以及封装结构的规模和复杂度，已超出了目前有限元仿真软件以及计算机硬件的处理能力，对三维集成电路芯片完整封装结构在不同冷却环境下的热仿真需要对模型进行相应的简化，在电路简化及布局布线优化部分已经有相当多方面的研究，但对芯片完整封装的模型简化还存在诸多问题及难点，如3D芯片层间互连的微凸点，芯片与PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）板之间连接的C4凸点，均包裹在热界面材料之中，而且微凸点与C4凸点均为微米或纳米级尺寸，在一个芯片封装中的数量巨大，难以通过精确建模输入有限元进行仿真，其数量规模远超过目前软件能进行仿真的计算极限。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种三维堆叠芯片的热仿真模型建立方法和一种三维堆叠芯片的热点温度预测方法，能够有效提升建模分析方法的利用效率。

为达到以上目的，本发明提供的一种三维堆叠芯片的热仿真模型建立方法，具体包括以下步骤：

将3D芯片的相关几何构型信息和热属性相关参数录入有限元软件，进行3D芯片模型的绘制；

设置3D芯片模型各部分的有效热导率，并将3D芯片模型置于冷却流体环境中，并进行相关仿真参数设置；

基于有限元软件进行仿真计算，得到3D芯片模型在环境温度和对流传热冷却条件下的温度分布及热点温度信息。