[發明專利]一種基于硅直通孔的三維集成系統熱解析方法

有效

• 申請號: 201910815400.0
• 申請日: 2019-08-30
• 公開（公告）號: CN110516382B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 馬奎;楊發順;王勇勇;林潔馨;傅興華
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: G06F30/367
• 分類號: G06F30/367;G06F30/30
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所 52100
• 代理人: 商小川

本發明公開了一種基于硅直通孔的三維集成系統熱解析方法，它包括將三維集成系統分解成單個功率元胞，在該功率元胞中，考慮硅通孔橫向熱阻和縱向熱阻的影響，建立分段熱阻模型；根據基爾霍夫定律得出包含上下層芯片溫度的矩陣方程；根據傳熱學中熱阻表達方式，建立熱阻R₁～R₈的表達式；將熱阻R₁～R₈的表達式代入包含上下層芯片溫度的矩陣方程中求解關于溫度T的方程組，從而得到三維集成系統中各層芯片的溫升情況；解決了現有技術對維集成系統的熱解析采用一維熱阻模型，它只考慮三維集成系統的縱向傳熱而沒有考慮三維集成系統TSV的橫向熱阻問題，使得三維集成系統的熱可靠性差等問題。

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，尤其涉及一種基于硅直通孔的三維集成系統熱解析方法。

背景技術

由于電路規模的不斷擴大及對單個襯底上實現更多功能的需求不斷提升，集成電路中的互連結構越來越復雜，由互連結構所帶來的延遲和功耗也越發的明顯。將多層芯片堆疊鍵合在一起，由TSV(Through Silicon Via，硅直通孔)垂直連接不同層上的信號，實現三維集成電路，不僅能夠有效縮短信號互連線的長度，還能提高系統的集成度。三維集成技術被認為是能夠延續甚至加速集成電路技術快速發展的有效方法之一，最近十幾年來已受到學術界和行業界的廣泛關注。TSV技術是實現三維集成的關鍵技術，通過TSV可以縮短互連長度、減小封裝尺寸，因而TSV被看做是三維集成的核心。堆疊系統中每一層芯片都需要一套TSV來連接信號，針對不同的功率范圍和不同的時鐘信號合理配置TSV，可確保堆疊系統的功能和性能。TSV通常是一個由金屬銅(Cu)、鋁、鎢或者重摻雜多晶硅為導電或導熱材料的圓柱形結構。TSV的制造有多種方法，根據制造順序可以分為先通孔、中通孔和后通孔三種。

隨著集成度和功率密度的提高，三維集成的熱問題對整個電子系統的可靠性至關重要。TSV中填充的金屬具有較高的熱導率，可以迅速將熱量疏導至熱沉。因此，除了用作信號互連外，TSV還可以用來實現三維集成系統內部的熱疏導，提高系統的散熱效率。在三維集成系統中，熱流會經過各種具有不同熱導率的材料，這會使得熱路徑以及熱阻的計算變得較為復雜。為了簡化計算，一維熱阻模型只考慮三維集成系統的縱向傳熱，給出系統熱預算的一個粗略估計值。盡管TSV絕緣層的厚度通常是通孔直徑的2％～10％，但它依然對三維集成系統的熱流密度有著顯著影響，因此TSV的橫向熱阻不能忽略不計。同時，需要考慮硅通孔對有源器件溝道載流子遷移率的影響，避免載流子遷移率過度退化，嵌套的硅通孔和有源器件之間應該留有一定的安全工作間距(Keep-Out-Zone，KOZ)。綜合考慮TSV的橫向傳熱以及KOZ的影響。

發明內容：

本發明要解決的技術問題是：提供一種基于硅直通孔的三維集成系統熱解析方法，以解決現有技術對維集成系統的熱解析采用一維熱阻模型，它只考慮三維集成系統的縱向傳熱而沒有考慮三維集成系統TSV的橫向熱阻問題，使得三維集成系統的熱可靠性差等問題。

本發明技術方案

一種基于硅直通孔的三維集成系統熱解析方法，它包括：

步驟1、將三維集成系統分解成單個功率元胞，在該功率元胞中，考慮硅通孔橫向熱阻和縱向熱阻的影響，建立分段熱阻模型；

步驟2、以R1和R3表示堆疊系統中頂層芯片和底層芯片硅襯底的熱阻，R2和R4表示堆疊系統中頂層鍵合層和底層鍵合層的熱阻，R5和R6表示散熱硅通孔的橫向熱阻，R7和R8表示散熱硅通孔的縱向熱阻，根據基爾霍夫定律得出包含上下層芯片溫度的矩陣方程；

步驟3、根據傳熱學中熱阻表達方式，建立熱阻R₁～R₈的表達式；

步驟4、將熱阻R₁～R₈的表達式代入包含上下層芯片溫度的矩陣方程中求解關于溫度T的方程組，從而得到三維集成系統中各層芯片的溫升情況。

所述矩陣方程的表達式為