TSV转接板等效热导率预测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及微电子封装与热管理计算领域，公开了一种TSV转接板等效热导率预测方法及系统，为解决3D集成封装芯片热管理问题提供基础支持。该方法包括：构建考虑有介电层的TSV转接板垂直方向上的二维等效模型；根据组分在模型中的体积占比不变的原则，分别计算TSV孔中填充物及介电层在垂直方向二维等效模型中的等效参数；根据所述二维等效模型中的等效参数及硅、介电层及填充物的热导率仿真得出与垂直方向热流相垂直的两平行截面之间的平均温度差；根据所述平均温度差、两平行截面的距离及热流参数计算得出TSV转接板垂直方向的等效热导率。

Method and system for predicting equivalent thermal conductivity of TSV transfer plate

The invention relates to the field of microelectronics packaging and thermal management, and discloses a method and a system for predicting the equivalent thermal conductivity of the TSV transfer board, which provides the basic support for solving the problem of the thermal management of the 3D integrated packaging chip. The method comprises: constructing a two-dimensional equivalent model of TSV considering switching board vertical dielectric layer on the component in the model; according to the volume proportion of the same principle, the equivalent parameters in TSV hole filling and the dielectric layer in the vertical direction of the two-dimensional equivalent model were calculated according to the equivalent parameters, and silicon; thermal conductivity of dielectric layer and the filling rate of the two-dimensional equivalent simulation model is derived between mean temperature and vertical heat flux perpendicular to the direction of the two parallel section difference; equivalent thermal conductivity and heat flux according to the distance parameter of the mean temperature difference, two parallel section is calculated from the TSV transfer board vertical rate.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子封装与热管理计算领域，尤其涉及一种TSV(ThroughSiliconVias，通过硅片通道，又称硅通孔)转接板热导率预测方法及系统。
技术介绍
三维(Three-Dimension，3D)集成计算是目前被认为超越摩尔定律可持续实现小型化、高密度、多功能化的首选方案，而硅通孔(TSV)技术是三维集成的关键，可实现芯片与芯片间距离最短、间距最小的互连。然而，三维堆叠芯片使得单位面积的总功率增大，且薄芯片会导致芯片上产生过热点。因此，热管理是三维集成的一个重要问题，亟需低成本、高效率的热管理设计指引和解决方案。目前，即使拥有先进的软件和高速计算机硬件仍然很难对3D集成系统中的所有TSV进行详细建模。传统热管理一般都使用两种方法：1)基于理想假设的理论计算；2)基于实验的经验公式，或者将两者结合起来。对于第一种方法，实际情况往往比理想状态复杂的多，因此理论计算的结果和实际状态可能会有较大偏差。而对于第二种方法，由于3D集成封装形式与传统器件差异较大，实验很难得到堆叠器件内部热分布情况，且实验方法都很难适用于普遍场合。近些年随着计算机技术的发展，利用计算机程序对于TSV转接板/芯片进行有限元数值建模，计算TSV芯片等效热导率，再将TSV转接板/芯片简化为均匀块体，采用这些等效热导率进行仿真。目前，利用有限元方法计算TSV转接板/芯片的热导率主要采用二维等效模型和三维详细模型的两种方式。三维详细模型芯片的真实结构进行建模的，有较好的准确率，但计算效率低，对于非周期性、非均匀分布的结构，由于其结构太复杂，很难甚至无法进行模型构建和仿真。现有的二维等效模型都忽略了TSV结构中的介电阻挡层，而实践证明介电层对横向热导率影响很大，忽略后导致计算结果与实际情况严重不符。所以寻找适用、高效快速TSV转接板/芯片等效热导率计算方法，为解决3D集成封装芯片热管理问题提供基础支持。
技术实现思路
本专利技术目的在于公开一种TSV转接板等效热导率预测方法及系统，为解决3D集成封装芯片热管理问题提供基础支持。为实现上述目的，本专利技术公开了一种TSV转接板等效热导率预测方法，包括：构建考虑有介电层的TSV转接板垂直方向上的二维等效模型；根据组分在模型中的体积占比不变的原则，分别计算TSV孔中填充物及介电层在垂直方向二维等效模型中的等效参数；根据所述二维等效模型中的等效参数及硅、介电层及填充物的热导率仿真得出与垂直方向热流相垂直的两平行截面之间的平均温度差；根据所述平均温度差、两平行截面的距离及热流参数计算得出TSV转接板垂直方向的等效热导率。对应的，本专利技术还公开一种用于执行上述方法的系统，至少包括：第一建模模块，用于构建考虑有介电层的TSV转接板垂直方向上的二维等效模型；第一数据处理模块，用于获取TSV孔中填充物及介电层在垂直方向二维等效模型中的等效参数；根据所述二维等效模型中的等效参数及硅、介电层及填充物的热导率仿真得出与垂直方向热流相垂直的两平行截面之间的平均温度差；以及根据所述平均温度差、两平行截面的距离及热流参数计算得出TSV转接板垂直方向的等效热导率；其中，垂直方向二维等效模型中的等效参数根据组分在模型中的体积占比不变的原则进行确定。为实现上述目的，本专利技术还公开了一种TSV转接板等效热导率预测方法，包括：构建考虑有介电层的TSV转接板水平方向上的二维等效模型，该二维等效模型中的等效参数与三维实际结构一致；根据所述二维等效模型中的等效参数及硅、介电层及填充物的热导率仿真得出与水平方向热流相垂直的两平行截面之间的平均温度差；根据所述平均温度差、两平行截面的距离及热流参数计算得出TSV转接板水平方向的等效热导率。对应的，本专利技术还公开一种用于执行上述方法的系统，至少包括：第二建模模块，用于构建考虑有介电层的TSV转接板水平方向上的二维等效模型；第二数据处理模块，用于获取TSV孔中填充物及介电层在水平方向二维等效模型中的等效参数；根据所述二维等效模型中的等效参数及硅、介电层及填充物的热导率仿真得出与给定热流相对应的两平行截面之间的平均温度差；以及根据所述平均温度差、两平行截面的距离及所述热流参数计算得出TSV转接板水平方向的等效热导率；其中，该水平方向二维等效模型中的等效参数与三维实际结构一致。本专利技术具有以下有益效果：根据TSV转接板热导率各向异性的特征，可分别计算得出水平方向和垂直方向的等效热导率；采用的二维等效模型全面考虑了TSV转接板的实际结构和内部的传热路径，并考虑了介电层的作用，计算结果准确、可靠；与三维模型相比，在水平方向等效热导率计算误差小于1％，垂直方向上的误差小于2.5％，因此采用二维模型代替三维模型，既能较准确的预测等效热导率结果，又节省计算时间和内存消耗，极大的提高运算速度，使得仿真在普通个人PC上都能正常运行。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的二维等效热导率计算模型；其中上部分为垂直方向的二维等效模型，下部分为水平方向的二维等效模型；图2为不同结构参数下二维等效模型计算水平方向等效热导率计算结果；图3为不同结构参数下二维等效模型计算垂直方向等效热导率计算结果；图4为三维等效热导率计算模型；其中左部分示意图为垂直方向的三维计算模型，右部分为水平方向的三维计算模型；图5为三维和二维等效模型计算结果比较；图6为本专利技术实施例与图4左部分所示垂直方向的三维模型相对应的等效三维模型，其中间部分为填充铜，该模型与图1中垂直方向的二维模型相等效；图7为本专利技术实施例公开的一种TSV转接板等效热导率预测方法流程图；图8为本专利技术实施例公开的又一种TSV转接板等效热导率预测方法流程图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1本实施例中，TSV转接板等效热导率预测方法以TSV芯片实际模型为建立水平方向和垂直方向的几何结构，基于热传导理论和计算流体力学为基础，通过有限元法分别计算TSV转接板的水平和垂直方向的等效热导率。其中本实施例中，该TSV转接板的介电层材料采用二氧化硅，TSV孔中填充物材料采用铜；当TSV孔中填充物及介电层被其他材料替换时，其处理方法类似，不做赘述。具体包括以下步骤：步骤(1)、根据TSV转接板的实际结构，分别构建水平方向和垂直方向上的二维等效模型。参阅图1及图4，为便于简化，本实施例中示意的TSV通孔是均匀分布的，其中图4中的三维模型可视为节距(pitch)相等的立方体，而柱状的TSV通孔位于该立方体的中央；其中，在水平方向及垂直方向的二维等效模型中，TSV的间距皆与三维实际结构中的间距相等。如图1所示，水平方向上的二维等效模型，直接根据三维实际结构中的尺寸确定二维等效模型中的TSV直径和SiO2的厚度。而垂直方向的二维等效模型则需要根据组分在模型中的体积占比不变的原则，分别计算TSV孔中填充物及介电层在垂直方向二维等效模型中的等效参数；如图1所示，具体包括：根据组分在模型中的体积占比不变的原则，计算填充铜在二维等效模型中的长度，以及根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TSV转接板等效热导率预测方法，其特征在于，包括：构建考虑有介电层的TSV转接板垂直方向上的二维等效模型；根据组分在模型中的体积占比不变的原则，分别计算TSV孔中填充物及介电层在垂直方向二维等效模型中的等效参数；根据所述二维等效模型中的等效参数及硅、介电层及填充物的热导率仿真得出与垂直方向热流相垂直的两平行截面之间的平均温度差；根据所述平均温度差、两平行截面的距离及热流参数计算得出TSV转接板垂直方向的等效热导率。

【技术特征摘要】
1.一种TSV转接板等效热导率预测方法，其特征在于，包括：构建考虑有介电层的TSV转接板垂直方向上的二维等效模型；根据组分在模型中的体积占比不变的原则，分别计算TSV孔中填充物及介电层在垂直方向二维等效模型中的等效参数；根据所述二维等效模型中的等效参数及硅、介电层及填充物的热导率仿真得出与垂直方向热流相垂直的两平行截面之间的平均温度差；根据所述平均温度差、两平行截面的距离及热流参数计算得出TSV转接板垂直方向的等效热导率。2.根据权利要求1所述的TSV转接板等效热导率预测方法，其特征在于，填充物在垂直方向二维等效模型中的等效长度lcu计算公式为：其中d为填充物的直径，pitch为TSV转接板的节距。3.根据权利要求1所述的TSV转接板等效热导率预测方法，其特征在于，介电层在垂直方向二维等效模型中的等效厚度计算公式为：其中d为填充物的直径，pitch为TSV转接板的节距，为介电层的外径。4.根据权利要求1所述的TSV转接板等效热导率预测方法，其特征在于，所述等效热导率Kz的计算公式为：其中qx为垂直方向的热通量，ΔTz为两平行截面之间的平均温度差，Δz为两平行截面的距离。5.根据权利要求1至4任一所述的TSV转接板等效热导率预测方法，其特征在于，确定所述平均温度差的边界条件为：在垂直方向上的二维等效模型中，顶边施加一个均布热流，底边设置一个等温边界，其他两边设置为绝缘边界。6.一种用于执行如上述权利要求1至5任一所述方法的系统，其特征在于，至少包括：第一建模模块，用于构建考虑有介电层的TSV转接板垂直方向上的二维等效模型；第一数据处理模块，用于获取TSV孔中填充物及介电层在垂直方向二维等效模型中的等效参数；根据所述二维等效模型中的等效参数及硅、介电层及填充物的热导率仿真得出与垂...

【专利技术属性】
技术研发人员：何虎，肖承地，李军辉，曹森，王彦，陈卓，朱文辉，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43