【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于集成电路，涉及一种三维集成系统温度分布的快速计算方法和装置。
技术介绍
1、基于硅通孔(through silicon via，tsv)的三维集成技术目前发展火热，它是通过将不同功能的电路模块或芯片在垂直方向上键合、堆叠而实现的一种新型封装方式。与传统的二维平面封装方式相比，三维集成技术具有减少延迟、提高性能、降低功耗、缩小封装尺寸并最终降低成本的优势。近些年来，集成电路产业对高性能、高带宽、高功率密度系统的迫切需求促进了三维集成技术的快速发展。然而，由于功率密度的增加和堆叠层之间极为有限的导热性能，三维集成系统的温度约束被认为是制约技术发展的关键因素。
2、三维电源分配网络(power distribution network，pdn)主要包括片上pdn、电源/接地tsv和微焊球，作为三维集成系统中为有源器件供电和传输信号的电传输通路，主要为金属互连并穿透三维集成系统各层，具备很强的散热能力，可以显著缓解系统的热问题。但是，在目前的研究中，缺乏考虑三维pdn散热效果的完整且精确的等效热模型，用于对其温度分布的快速计算。
3、三维集成系统的结构相当复杂，难以构建求解其温度分布的热解析模型。虽然通过有限元仿真工具可以精确地表征其温度细节，但其计算效率太低，这将在热设计中耗费大量的时间成本；而现有的几种数值计算方法要么无法表征三维集成系统的水平温度分布，要么不够精确，存在较大误差。例如，对于tsv，在垂直方向上可以通过将其等效为集总热阻来获得精确化的模型，但在水平方向上，相关模型要么没有被考虑，
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种三维集成系统温度分布的快速计算方法和装置。本专利技术所采用的技术方案是：
2、一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，包括如下步骤：
3、s1：分析三维集成系统的结构特点，提取所述三维集成系统中堆叠芯片的各层的等效单元模型；
4、s2：根据所述等效单元模型，求解各向异性等效热导率；
5、s3：利用所述各向异性等效热导率，构建等效热模型；
6、s4：对所述等效热模型进行网格单元划分，构建温度求解方程；
7、s5：利用所述温度求解方程计算出各所述网格单元格点处的温度，即得到三维集成系统温度分布。
8、在本专利技术的一个实施例中，所述s1包括：
9、s11：分析所述三维集成系统中堆叠芯片的各层组成分布；
10、s12：划分单层所述堆叠芯片的各层组成分布，包括由片上电源分配网络构成的后道工艺层、包含硅通孔的有源器件层和硅衬底层以及包含微焊球的片间粘合层；
11、s13：提取所述后道工艺层、所述有源器件层、所述硅衬底层和所述片间粘合层的等效单元模型。
12、在本专利技术的一个实施例中，所述s2包括：
13、s21：通过设置边界面的热源功率密度和其相对边界面的温度，计算施加热源的边界面的平均温度，来求解所述后道工艺层单元的各向异性等效热导率；
14、s22：基于热阻理论将所述有源器件层单元沿各热流方向等效为热阻网络来求解其各向异性等效热导率；
15、s23：基于热阻理论将所述硅衬底层单元沿各热流方向等效为热阻网络来求解其各向异性等效热导率；
16、s24：基于热阻理论将所述片间粘合层单元沿各热流方向等效为热阻网络来求解其各向异性等效热导率。
17、在本专利技术的一个实施例中，所述s21包括：
18、所述后道工艺层各方向的等效热导率分别为：
19、
20、
21、
22、其中，kx_beolcell为该单元沿x方向的等效热导率，ky_beolcell为该单元沿y方向的等效热导率，kz_beolcell为该单元沿z方向的等效热导率，pwire为同一金属布线层中相邻金属互连线的间距，n为金属布线层的层数，twire为金属互连线的厚度，hμ-via为微通孔的高度，sleft，sfront和sbottom分别为施加在该单元左边界、前边界和下边界的面热源功率密度，tleft，tright，tfront，tbehind，tbottom和ttop分别为该单元左边界、右边界、前边界、后边界、下边界和上边界的面平均温度。
23、在本专利技术的一个实施例中，所述s23包括：
24、在竖直方向上，所述硅衬底层单元的等效热导率表示为：
25、
26、其中，kz_subcell为该单元沿z方向的等效热导率，l和w分别为各相邻硅通孔在x和y方向上的间距，rtsv为硅通孔填充金属的半径，tox为硅通孔二氧化硅隔离层的厚度，ksi、ksio2和kcu分别为硅、二氧化硅和铜的热导率；
27、在水平方向上，所述硅衬底层单元可划分为5个区域，分别为q1，q2,1，q2,2，q2,3和q3，其中q1，q2,1，q2,3和q3中均只包含衬底硅，q2,2为以硅通孔结构的直径2(rtsv+tox)为尺寸的方形区域，是由填充金属铜、绝缘隔离材料二氧化硅和衬底硅所组成的复合材料，q1，q2和q3之间为串联关系，q2,1，q2,2和q2,3之间为并联关系，则其沿x方向和y方向的等效热导率分别为：
28、
29、
30、
31、
32、其中，kx_subcell为该单元沿x方向的等效热导率，ky_subcell为该单元沿y方向的等效热导率，l和w分别为各相邻硅通孔在x和y方向上的间距，rtsv为硅通孔填充金属的半径，tox为硅通孔二氧化硅隔离层的厚度，ksi、ksio2和kcu分别为硅、二氧化硅和铜的热导率。
33、在本专利技术的一个实施例中，所述s3包括：
34、将由复合材料构成的所述后道工艺层、所述有源器件层、所述硅衬底层和所述片间粘合层分别替换为具有所述各向异性等效热导率的单一介质材料，构建所述三维集成系统的等效热模型。
35、在本专利技术的一个实施例中，所述s4包括：
36、s41：考量求解精度与效率的折衷对所述等效热模型进行网格单元划分：
37、水平方向上，以堆叠芯片中相邻硅通孔的间距作为网格单元的固定尺寸，实现求解精度与效率的折衷；
38、垂直方向上，在各层分界处采用精细化的网格单元以保证求解精度，在各层内部采用粗略网格单元以提高求解效率；
39、s42：基于自适应单元差分迭代法构建温度求解方程。
40、在本专利技术的一个实施例中，所述s42包括：
41、固体中三维稳态热传导方程为：
42、
43、其中，为与空间相关的温度参数，kx、ky和kz分别为材料沿x、y和z方向的热导率，s为空间热源的功率密度；本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述S1包括：
3.根据权利要求2所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述S2包括：
4.根据权利要求3所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述S21包括：
5.根据权利要求3所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述S23包括：
6.根据权利要求1所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述S3包括：
7.根据权利要求1所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述S4包括：
8.根据权利要求7所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述S42包括：
9.根据权利要求1所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述S5包括：
10.一种三维集成系统温度分布的快速计算装置，其特征在于，包括：等效热导
...【技术特征摘要】
1.一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述s1包括：
3.根据权利要求2所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述s2包括：
4.根据权利要求3所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述s21包括：
5.根据权利要求3所述的一种三维集成系统温度分布的快速计算方法，其特征在于，所述s23包括：
6.根据权利要求1所述的一种三维集成系统温度分布的快速...
【专利技术属性】
技术研发人员：董刚，冯英豪，智常乐，刘岱航，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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