曹明鹏 吴晓鹏† 管宏山 单光宝 周斌 杨力宏 杨银堂

1) (西安电子科技大学微电子学院, 西安 710071)

2) (电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室, 广州 510610)

随着三维集成微系统集成度和功率密度的提高, 同时考察电设计与热管理的多场耦合分析势在必行.本文面向三维集成微处理器系统, 通过改进的对偶单元法(dual cell method, DCM)实现了系统的快速电热分析.该方法通过引入泄漏功率、材料系数随温度的耦合, 相比于传统有限元法在更新以及组装本构矩阵上有更大的优势.仿真验证表明, 本文所采用的算法相比传统有限元法仿真速度提升了约30%.在考虑了材料系数以及泄露功率热耦合因素后, 系统热点温度相对于考虑耦合前上升了20.8 K.最后采用本文所提出算法对三维集成微处理器系统进行布局研究, 比较了硅通孔阵列常规布局和集中布局在处理器核心下方两种布局方式对上下层芯片热点温度的影响, 研究了功率不均匀分配对两种布局的影响.

1 简 介

目前三维集成技术是延续摩尔定律引领集成电路发展走向后摩尔时代的有力解决方案[1].三维集成微系统具有高集成度、微小型化、低功耗、高可靠性和高效率等优点, 在逻辑计算处理、成像传感和光集成等方面具有广阔的应用前景.但是三维集成技术同时导致了微系统内单位面积上产生的热功耗急剧增加.以处理器芯片为例, 目前CPU的功耗密度达到了100 W/cm2以上[2], 功率密度的增加和功率……