28、薄硅芯片中的热效应：模拟与建模

薄硅芯片中的热效应：模拟与建模

1. 引言

三维堆叠芯片架构旨在有效提高半导体系统的集成密度，从而使产品更小、更轻、更便宜。然而，堆叠模块特别容易受到热效应的影响，因为功耗的增加并没有伴随着冷却效率的相应提高。因此，人们一直在寻求冷却策略来增强散热区域的散热能力。

在超薄芯片堆叠（UTCS）技术模块中，热效应更为严重。这主要是由于苯并环丁烯（BCB）层的热导率较低，这些层用于对厚度减至 10 毫米的硅芯片进行电绝缘，而这些芯片垂直集成在同一非活性主体硅基板上。

为了提高 UTCS 结构的冷却能力，数值热模拟工具的使用变得至关重要。数值热模拟可以评估稳态和瞬态条件下的温度分布，识别关键热流路径，确定技术和布局参数的影响，并优化热架构。

2. 数值热模拟研究

2.1 模拟基础

采用基于商业有限元方法（FEM）的 Comsol 软件包进行详细的 3D 热模拟研究。研究了各种技术参数和材料特性的影响，例如热源面积、硅芯片和 BCB 层的厚度，以及封装头的热导率。

2.2 单级模块分析

2.2.1 模块结构与参数

单级 UTCS 模块的 2D 表示如图所示。相关参数定义如下：
| 参数 | 含义 |
| ---- | ---- |
| Wdie, Ldie, tdie | 含耗散电路的薄硅芯片的宽度、长度和厚度 |
| WHS, LHS | 位于芯片顶部的无限薄热源的宽度和长度 |
| Wsub, Lsub, tsub | 非活性硅基板的宽度、长度和厚度 |
| tBCB - ad | 作为活性芯