三维集成电路中的热管理：热点、材料和冷却策略建模

随着三维集成电路（3D-IC）技术成为人工智能、高性能计算（HPC）和先进边缘系统的架构支柱，热管理已从下游约束转变为根本性的设计驱动因素。高密度垂直集成带来了前所未有的性能，但也使热量集中在传统二维设计方法无法预测或缓解的层面。事实上，局部3D-IC热点区域的温度和热通量可接近火箭发射热区温度和热通量的几分之一，只不过挑战发生在微观硅片层面，而非燃烧室内部。这种极端的热强度使得早期预测性规划成为必要而非可选项。

有效的散热管理如今始于架构定义阶段，设计人员在确定分区方案之前，会评估堆叠可行性、电源分配和允许的散热范围。这些早期洞察直接影响模块布局、供电拓扑结构以及材料、中介层和封装技术的选择。随着业界越来越依赖垂直集成系统来实现每瓦性能的提升，散热意识逐渐成为一门独立的架构学科，指导着3D-IC设计流程的每一个后续阶段。

本文指导对密集堆叠和基于中介层的 3D-IC 中的热挑战进行建模、估计和缓解，重点是随着复杂性而扩展的早期电热策略。

堆叠式建筑中的热源空白标题

3D集成电路的发热源于器件活动、垂直功率密度和材料限制等多种因素的综合作用。当逻辑芯片、存储器和加速器堆叠在一起时，单位面积的总功耗会显著增加。位于最上方的芯片距离散热器最远，热阻更高，散热效率更低，即使单个芯片的功耗看起来很低，也会自然形成热点。

硅通孔 (TSV) 阵列、微凸块和互连柱的布局也会影响散热格局。这些结构不仅起到导电作用，而且根据材料和密度，也起到导热作用。芯片间界面与键合层之间通常会形成热瓶颈，当芯片组在不同的功率状态下运行时，陡峭的温度梯度会引发应力和可靠性问题。尽早了解这些相互作用对于设定合理的散热限制和性能预期至关重要。

早期紧凑模型和功率图估计空白标题

热分析必须与架构定义同步进行。早期阶段的紧凑模型使架构师能够在实际实现之前，仅使用高层次的功率预算来近似温度分布。通过捕捉芯片厚度、材料堆叠、键合界面和中介层导热性的综合影响，这些模型可以揭示计划的功率密度或拟议的芯片堆叠配置在热力学上是否合理。它们有助于及早发现不可行的假设，确保功能划分和堆叠选择遵循热力学上合理的边界，而不是受后期意外情况的影响。

在此阶段创建可用的功耗图不需要完整的寄存器传输级 (RTL) 活动向量。粗略的工作负载配置文件可以提供动态功耗和漏电功耗的初步估计。结合简化的几何模型，这些估计可以突出显示热敏感区域，使设计团队能够在进入详细实现阶段之前调整模块划分、芯片分配和大致布局。

Cadence 的多物理场系统分析生态系统整合了功率估算、紧凑型热模型 (CTM) 建模和系统级热分析，确保信号、功率、电磁 (EM) 和热假设在早期设计阶段始终保持一致。这种早期可视性减少了后期热意外情况的发生，而这些意外情况往往是修复成本最高的。

通过芯片、中介层和封装的热通路空白标题

在三维集成电路中，热量并非沿着单一路径散发。相反，它会通过垂直和横向路径网络传播，其效率取决于材料、芯片排列方式和封装环境。下层芯片可能受益于与散热器的直接接触，而上层芯片则依赖于通过中间层的间接传导。热阻会在每个界面处累积。

无论是硅、玻璃还是有机材料制成的中介层，在热流过程中都扮演着重要角色。硅中介层具有优异的导热性，有利于热量扩散，但也会导致芯片组聚集处的热负荷集中。有机中介层虽然会增加热阻，但也能带来其他集成优势。要实现最佳的平衡，就必须将这些层视为热分布的积极参与者，而不是静态的机械部件。

整个封装，包括基板层、散热片和盖板材料，都必须纳入热仿真。如果在早期分析中忽略封装效应，温度预测结果往往会过于乐观，掩盖只有在进行组件级建模后才会出现的局部热点。

堆栈的材料、导热界面材料和冷却方案

热模拟很大程度上依赖于产品的结构定义，因为几何形状、材料属性和装配细节直接决定了热量的产生、传递和散发方式。

高导热硅、优化的互连材料以及改进的底部填充层或键合层可以降低堆叠结构的垂直热阻。导热界面材料（TIM）的性能差异显著，即使厚度或覆盖率的细微差别也会导致芯片间温度的显著差异。

3D集成电路的冷却策略正在快速发展。传统的风冷方式足以满足中等功耗预算的需求，但高性能人工智能和高性能计算系统通常需要更先进的冷却方案，例如直接液冷或均热板解决方案。冷却策略的选择应与未来的功耗发展路线图保持一致，而不仅仅是满足当前一代产品的需求。一旦芯片堆叠完成，冷却方案的选择就会受到限制，因此早期做出的决策会影响未来产品迭代的热可行性。

与布局和PDN设计进行协同优化

在三维集成电路（3D-IC）中，散热限制直接影响布局设计、宏模块放置和电源分配网络（PDN）拓扑结构。当高功率模块的位置能够最大化垂直导热路径和金属层间的横向散热时，即可实现高效的散热。如果模块距离主要散热通道过远，即使采用强大的冷却措施也无法抵消其产生的热量。

电源分配网络 (PDN) 增加了复杂性。电源传输结构，包括硅通孔 (TSV)、凸点和中介层重分配层，都会引入自身的电阻发热。当与热效应联合建模时，综合电热行为揭示了单独分析无法捕捉到的相互作用。跨这些领域的协同优化确保了散热措施不会损害电源完整性，反之亦然。

紧密集成的工作流程能够随着功耗、布局和封装假设的演变而实现往返式优化。如果没有这种迭代式协同设计，后期违规将不可避免，并需要进行颠覆性的重新设计。

电热准备就绪，可供签核空白标题

在将3D集成电路设计最终定稿之前，团队必须验证该设计能够在各种工作模式和工艺条件下承受实际的热应力。这包括验证预估的功耗曲线与实际运行情况是否一致，确保预测的峰值温度保持在安全范围内，以及确认任何层或界面的温度均未超过其热可靠性阈值。

芯片间边界、微凸块阵列、TSV簇和封装互连必须进行整体评估，因为微小的热失配会累积成显著的机械应力。长期可靠性还取决于对温度如何与电迁移、老化和性能漂移在产品生命周期内相互作用的理解。

完整的电热认证流程可在进入制造之前提供所需的信心，从而减少现场故障并确保长期稳定性。

针对热可扩展性进行设计空白标题

3D集成电路性能卓越，但对散热管理提出了严谨且可预测的要求。成功的关键在于将散热视为设计中的首要变量，而非后期修正。早期建模、精确的功耗估算、精心选择材料和堆叠结构，以及布局、电源分配网络、中介层和封装等各方面的协同优化，都有助于提升散热性能。

随着系统复杂性的不断攀升，将电热规划融入架构和实现流程的团队将能够交付性能更高、更可靠、更具可扩展性的3D集成电路设计。热感知不再是专业领域，而是下一代半导体设计的基础能力。

来源：编译自https://semiengineering.com/thermal-management-in-3d-ic-modeling-hotspots-materials-cooling-strategies/，侵删