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　　如今，集成电路正在朝着小型化和low-power的方向发展，通过硅通孔(tsv)垂直传输信号，通过再分配层(rdl)水平传输信号，三维集成电路(3D ic)有效缩短了长度interconnection大大降低了集成电路与平面ic相比的外形因素。但是，由于多层硅层的堆叠，层间产生的热量很难达到dissipate，如果不采取适当措施，高温会对3D的性能产生严重的负面影响ICs。因此，有必要解决三维集成电路的散热问题。

　　本文提出了一个由热再分配层（TRDL）和热通硅通（TTSV）组成的冷却系统，用于三维集成电路（3D IC）。根据傅里叶热流分析理论，通过有限元分析（FEA）建立并验证了拟议冷却系统的热流模型。结果表明，热流模型和FEA之间的最大误差为2.98%，3D IC的最大温度可以降低4.43°C。建立的水平散热通道可以有效解决3D IC的散热问题。

　　该冷却系统包括垂直堆叠的TTSVs和trdl。其结构如图1所示。与用于电信号的金属线不同的是，trdl被设计成网状结构，以增强散热。基于这种结构，热点产生的热量可以通过直接路径和方形路径扩散到TTSVs。xy坐标位于平面的中心。在飞机四周的中点附近有一组3个×3 TTSVs。每个TTSV(dTTSV)的直径为10 μm，两个TTSVs之间的间距为12 μm。在Si衬底表面中心设置面积为50 μm ×50 μm的热点作为关键元件。

　　如图2所示，以八层3D ic为基础模型，验证该散热系统的散热效果。每一层由键合层、绝缘层、有源区和Si衬底组成。每层尺寸为500 μm ×500 μm。3D冷却系统包括散热器，TTSV阵列和trdl。xyz坐标的原点在散热器底部的中心。每个TTSV通过8层3D ic运行。

　　基于电热对偶原理，我们使用Multisim建立了带TRDL和不带TRDL的3D ic HFA模型，如图3所示。根据图2，我们将z轴方向和平行于x轴方向的散热路径的每个部分分类为热敏电阻。在每一层的RSi_z上方加一个80ma电流，模拟热点产生的热量。电流向下游流动，类似于热流向散热片的扩散。

　　如图4所示，图3中的Rins_x表示无trdl和有trdl模型中保温水平扩散的热阻。从物理结构上看，加入trdl后，保温层的热传导由单纯依靠SiO2转变为SiO2和trdl。在热流模型中，与trdl平行的原大RSiO2等效，显著降低了该支路的热阻。金属的导热系数为km，保温层的导热系数为kins。TTSV上的热流方向如图5所示。

　　从图6可以看出，关键元件的最高温度出现在第八层。我们在Si表面的x轴原点上取17个点，重点观察元件区域附近(距离原点150 μm)的温度变化。Si衬底表面中心50 μm×50 μm区域为关键组分区域，在距原点50 μm范围内，每隔10 μm采样6个测点(含原点)。由于在建立热阻网络模型时将整个TSV阵列简化为一个等效热阻，因此在距离TSV边界每30μm处取3个测试点。添加TRDL前后的模型温度如图7所示。可以清楚地看到，加入trdl后，整个活动区域附近的温度整体下降。在HFA模型中，加入TRDL后，第八层温度下降了4.29C。FEA模型温度下降4.43℃。HFA和FEA结果吻合较好。

　　图8A、B比较了添加trdl前后第8个硅衬底表面的热图。结果表明，在TTSVs散热的基础上，加入trdl后，最中心热点区域温度降低了4.42C，最低温度降低了4.29C，证明了trdl的散热作用。图8C、图D为添加trdl前后第8层保温层表面热图对比。由图8C、D可以看出，加入trdl后，各温度区域的形状由原来的圆形分布变为方形分布，与trdl的分布规律明显一致。平面内相邻区域之间的温度梯度明显减小。

　　图9为第八层保温层的温度曲线的温度值可以看出，TRDL的加入使整个平面的最高温度和最低温度之间的温差从6.7降低到1.9C。无trdl时，曲线呈山状，峰明显。加入trdl后，温度变化更加平稳，温度梯度明显减小。

　　本文提出了一种新型的三维散热系统，以缓解三维集成电路中的散热问题。通过HFA和FEA验证了该冷却系统的冷却效果。仿真结果表明，该三维冷却系统使整个三维集成电路的最高温度降低了4.42℃。FEA是一种较准确的模型，仿真结果与现实较为吻合。HFA模型仿线%。但与FEA相比，HFA的仿真速度大大提高。除模拟数据外，FEA热图还表明，TRDL对隔热层的热分布有影响。即TRDL为热量向TTSV的横向热扩散建立了一条快速路径。由TRDL和TTSV组成的三维冷却系统，在占用空间小、工艺简单的同时，有效地提高了冷却效果。