[發明專利]一種利用TSV傳輸線網切換動態調整芯片熱分布方法

有效

• 申請號: 201611211583.8
• 申請日: 2016-12-25
• 公開（公告）號: CN106777722B
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 侯立剛;葉彤旸;王海強;仝保軍;彭曉宏;耿淑琴
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06F30/398
• 分類號: G06F30/398;G06F119/08
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種利用TSV傳輸線網切換動態調整芯片熱分布的方法，動態調整芯片熱分布首先建立3D集成電路版圖的直角坐標系，在電路中的所有TSV上設置傳輸線網；對電路進行溫度分析，通過比較溫度，找到每層芯片非均勻熱源的位置并提取位置坐標，通過坐標比對找到重疊熱源；啟動位于重疊熱源中TSV傳輸線網上的多路開關，將熱量分布到位于無重疊熱源區域中的TSV上，通過該區域內的TSV一同進行熱量傳導，直至所有區域內無過熱點，完成整個自動切換過程。本發明在不破壞原始電路結構的情況下，解決了3D芯片過熱點的問題，讓芯片得以在正常的工作溫度范圍內工作。

技術領域

本發明總體上涉及3D集成電路的設計及制造，更具體地，涉及一種3D集成電路中利用TSV傳輸線網切換動態調整芯片熱分布的方法，屬于電路設計領域。

背景技術

摩爾定律自1965年被提出以來，一直卓有成效地指引電子器件技術的發展方向。但隨著32nm以下線寬技術的出現，人們日益認識到在單一芯片上集成更高密度的電路和實現更多的功能越來越困難，成本也越來越高，于是出現了“超越摩爾”的呼聲。三維(3D)集成技術被認定是超越摩爾定律，持續實現器件小型化、高密度、多功能化的首選解決方案。

3D集成是一種系統級集成結構。在這一結構中，多層平面器件被堆疊起來，并經由硅通孔(TSV)在Z方向連接起來。TSV技術是三維集成的核心，也是最重要的支撐技術，它可以提供芯片到芯片的最短互連、最小焊盤尺寸和最小節距。與其他互連技術先比，TSV具有更好的電性能、更低的功耗、更寬的數據位寬和帶寬、更高的互連密度、更小的外形尺寸、更輕的質量，并且它還有望具有更低的成本。但是3D集成也有其局限性。首先，由TSV技術制造的器件，結構較為復雜，電路密度很高，功率密度也隨之增加，故熱應力和熱量管理是必須要考慮的因素。其次，由于TSV技術使得芯片測試和制作工藝更加復雜，3D芯片的成品率下降，因而制作成本比較高。

在影響3D集成電路發展的各種問題中，熱管理是一個重要的問題。其中在非均勻熱源疊加而產生的過熱點作用下，電路溫度過高，芯片不能正常工作是3D芯片熱管理面臨的一個重要挑戰。原因在于：在3D集成電路的多數應用中，每層芯片的耗散功率并非均勻分布，相應地，含有TSV的3D集成芯片封裝的熱性能會有所不同。此外，由于Si材料具有較高的熱傳導率，在平行于其表面方向上傳熱很好，但為了獲得小外形的3D集成芯片堆疊封裝，每層芯片的厚度都必須減薄至50um甚至更薄，因此平行擴散效應將受到超薄芯片的抑制，致使芯片上產生更多的過熱點。

基于上述原因，本發明提出一種3D集成電路中利用TSV傳輸線網切換動態調整芯片熱分布方法。通過傳輸線網的切換，將非均勻熱源疊加產生的過熱點中的熱量進行分布，合理有效的分散熱量，降低過熱點溫度，從而使3D芯片工作在正常溫度范圍內。

發明內容

本發明的目的在于在原始電路的結構基礎上，在電路中所有的TSV上增加一層傳輸線網，通過傳輸線網的動態切換，將3D集成芯片中非均勻熱源疊加產生的過熱點的熱量重新分布，降低過熱點溫度直至過熱點不再存在，從而使芯片正常工作。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為一種利用TSV傳輸線網切換動態調整芯片熱分布的方法，動態調整芯片熱分布首先建立3D集成電路版圖的直角坐標系，在電路中的所有TSV上設置傳輸線網；對電路進行溫度分析，通過比較溫度，找到每層芯片非均勻熱源的位置并提取位置坐標，通過坐標比對找到重疊熱源；將每個重疊熱源的溫度與過熱點臨界溫度進行比對，若重疊熱源溫度高于臨界溫度，則該重疊熱源中存在過熱點；依次判斷重疊熱源中是否存在過熱點，若存在，則啟動位于重疊熱源中TSV傳輸線網上的多路開關，將熱量分布到位于無重疊熱源區域中的TSV上，通過該區域內的TSV一同進行熱量傳導，直至所有區域內無過熱點，完成整個自動切換過程。

以下為實現本發明的具體步驟：