一种三维堆叠芯片热仿真模型建立及热点温度预测方法技术

本发明专利技术公开了一种三维堆叠芯片热仿真模型建立及热点温度预测方法，属于集成电路领域，可以通过建立三维堆叠芯片的热仿真模型，充分考虑多种影响因素，并基于模型进行仿真计算，得到3D芯片模型在环境温度和对流传热冷却条件下的温度分布及热点温度信息，从而有效提升建模分析方法的利用效率，有助于对三维堆叠芯片的布局规划提供更为准确的依据，同时在对热点温度信息进行预测时，可以将三维堆叠芯片在实际过程中的封装工艺以及热传感器的测量误差考虑进去，从而使得对于热点温度的预测更为精确。为精确。为精确。

【技术实现步骤摘要】
一种三维堆叠芯片热仿真模型建立及热点温度预测方法


[0001]本专利技术涉及集成电路领域，更具体地说，涉及一种三维堆叠芯片热仿真模型建立及热点温度预测方法。

技术介绍

[0002]三维芯片是将不同电路单元制作在多个平面晶片上，并通过硅通孔(ThroughSiliconVias,TSVs)层间垂直互连技术将多个晶片(Die)在垂直方向进行堆叠互连而形成的一种全新的芯片结构，具有集成度高、功耗低、带宽高、面积小、互连线短、支持异构集成等特点。
[0003]三维芯片的关键技术是TSV垂直互连技术，这一技术的使用大大提高了芯片的集成度、急剧缩短了线长、减小了芯片面积；但是由此也带来了一系列问题：(1)、就垂直互连本身来说，TSV的工艺尺寸较大，过多的引入TSV将增加三维芯片的面积、降低面积利用率、提高三维芯片的制造成本；另外，过多的TSV也将给三维芯片布局布线造成障碍，提高设计复杂度；(2)、三维芯片是一种全新的三维芯片，商业EDA工具和设计方法并不能有效地移植到三维芯片，要充分地利用三维芯片技术和建立高性能处理器就必须开发全新的EDA工具和探索全新的设计方法；文献提出的是一种全新的三维芯片设计工具；(3)、三维芯片的垂直堆叠在大大缩短线长、减小芯片面积的同时也使得芯片在相同单位面积内的发热量翻番，晶体管是芯片的主要热量源，堆叠技术使得单位面积内的晶体管数目成倍增长导致了发热量的成倍增长，堆叠技术使用了较低热传导率的绑定材料，这带来了芯片散热较差的问题，过高的发热量和较差的散热性使得芯片峰值温度升高，降低了芯片性能和可靠性。因此，降低TSV数目和峰值温度对于设计出成本低和性能优越的三维芯片具有重大的理论和实用价值。
[0004]目前市场上已经提出了几种解决3DIC散热问题的技术，包括任务调度、布局规划、新型材料(例如碳纳米管、石墨烯)和新型冷却技术(例如热管、微通道)等。但3DIC的散热问题必须从芯片设计的初始阶段就开始考虑，包括处理器核心数量和位置在内的各种参数都会影响功率和散热性能。因此，必须在设计阶段进行详细的热分析，以实施最有效的热管理技术。
[0005]因此针对上述内容，提出一种三维堆叠芯片热仿真模型建立及热点温度预测方法来解决上述问题。

技术实现思路

[0006]1.要解决的技术问题
[0007]针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种三维堆叠芯片热仿真模型建立及热点温度预测方法，本方案可以通过建立三维堆叠芯片的热仿真模型，并基于模型进行仿真计算，得到3D芯片模型在环境温度和对流传热冷却条件下的温度分布及热点温度信息，从而有效提升建模分析方法的利用效率。
[0008]2.技术方案
[0009]为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案。
[0010]一种三维堆叠芯片热仿真模型建立方法，包括以下步骤：
[0011]S1、根据三维堆叠芯片的工作环境搭建模型试验环境；
[0012]S2、获取三维堆叠芯片的结构参数和材料参数并创建三维堆叠芯片的三维热仿真模型；
[0013]S3、对三维堆叠芯片进行预先的布局规划，通过自动网格化功能在关键的模型区域使用局域化网格的方式对完整封装模型内的芯片和中介层的热仿真；
[0014]S4、确定三维堆叠芯片的三维热仿真模型后置于试验环境内，设置相关仿真参数；
[0015]S5、经过仿真计算后得到三维热仿真模型在试验环境下的温度分布和热点温度信息。
[0016]进一步的，所述步骤S3中的布局规划包括芯片布局、功率预算以及硅通孔布局。
[0017]进一步的，所述芯片布局包括获取相关芯片的平均温度和每个芯片温度变化的信息。
[0018]进一步的，所述功率预算包括获取相关功能块的功率映射，并导入到封装的热模型内。
[0019]进一步的，所述硅通孔布局包括在保持功能块相对位置不变的情况下，将其沿x和y向(xy扩展)移动，只是调整它们之间的间距(铂空间)使得能够插入TSV以检查它们对芯片热点的影响。
[0020]一种三维堆叠芯片热点温度预测方法，用于对三维堆叠芯片热点温度进行预测，包括以下步骤：
[0021]一、调整训练参数代入到热仿真模型中进行训练得到预测结果；
[0022]二、针对构建的热仿真模型进行实际测试，并得到测试结果与预测结果进行比对验证；
[0023]三、对测试误差进行修改并对热仿真模型进行再训练，并重复验证得到验证误差；
[0024]四、拟合预测结果，得到对应的三维堆叠芯片热点温度，实现热点温度的预测。
[0025]进一步的，所述训练参数包括芯片位置、功能块功率、TSV插入、运行时间、工作环境以及冷却条件。
[0026]进一步的，所述训练参数还包括三维堆叠芯片的封装工艺参数。
[0027]进一步的，所述步骤二中采用同一封装工艺的不同三维堆叠芯片的实际热点温度测量结果进行测试，将多个测试结果与预测结果的误差值进行平均值分析，并将该平均值作为固定参数与预测结果进行拟合。
[0028]进一步的，所述实际测试中热点温度的热传感器测量的平均差异保持低于2％。
[0029]3.有益效果
[0030]相比于现有技术，本专利技术的优点在于：
[0031](1)本方案可以通过建立三维堆叠芯片的热仿真模型，并基于模型进行仿真计算，得到3D芯片模型在环境温度和对流传热冷却条件下的温度分布及热点温度信息，从而有效提升建模分析方法的利用效率。
[0032](2)本方案可以将三维堆叠芯片在实际过程中的封装工艺以及热传感器的测量误
差考虑进去，从而使得对于热点温度的预测更为精确。
附图说明
[0033]图1为本专利技术热仿真模型建立的流程示意图；
[0034]图2为本专利技术热点温度预测的流程示意图。
具体实施方式
[0035]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0036]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0037]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维堆叠芯片热仿真模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、根据三维堆叠芯片的工作环境搭建模型试验环境；S2、获取三维堆叠芯片的结构参数和材料参数并创建三维堆叠芯片的三维热仿真模型；S3、对三维堆叠芯片进行预先的布局规划，通过自动网格化功能在关键的模型区域使用局域化网格的方式对完整封装模型内的芯片和中介层的热仿真；S4、确定三维堆叠芯片的三维热仿真模型后置于试验环境内，设置相关仿真参数；S5、经过仿真计算后得到三维热仿真模型在试验环境下的温度分布和热点温度信息。2.根据权利要求1所述的一种三维堆叠芯片热仿真模型建立方法，其特征在于：所述步骤S3中的布局规划包括芯片布局、功率预算以及硅通孔布局。3.根据权利要求2所述的一种三维堆叠芯片热仿真模型建立方法，其特征在于：所述芯片布局包括获取相关芯片的平均温度和每个芯片温度变化的信息。4.根据权利要求2所述的一种三维堆叠芯片热仿真模型建立方法，其特征在于：所述功率预算包括获取相关功能块的功率映射，并导入到封装的热模型内。5.根据权利要求2所述的一种三维堆叠芯片热仿真模型建立方法，其特征在于：所述硅通孔布局包括在保持功能块相对位置不变的情况下，将其沿x和y向(xy扩展)移动，只是调整它们之间的间距(铂空间)使得能...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄深，丁建完，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：