CN115565974A - 三维堆叠集成电路的发热量处理设备 - Google Patents

三维堆叠集成电路的发热量处理设备 Download PDF

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CN115565974A CN202110743492.3A CN202110743492A CN115565974A CN 115565974 A CN115565974 A CN 115565974A CN 202110743492 A CN202110743492 A CN 202110743492A CN 115565974 A CN115565974 A CN 115565974A
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马丹丹
夏国栋
张晓亚
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Abstract

一种三维堆叠集成电路的发热量处理设备，两排处理器相邻位于左侧，存储器位于右侧；传热方式包括单相对流传热和流动沸腾相变传热；针对单相对流传热：冷流体由流体出口(6)流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体入口(5)流出，流体在通道内从右往左流动；微通道沿流动方向分阶段加密，在存储器相应位置的间距最大，在右排处理器对应位置微通道进行第一次加密；在左排处理器相应位置微通道进行第二次加密；针对流动沸腾相变传热：冷流体由流体入口(5)流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体出口(6)流出，流体在微通道内从左往右流动；微通道在流入处最密，且沿流动方向进行通道分阶段逐次加宽。

Description

三维堆叠集成电路的发热量处理设备
技术领域
本发明涉及集成电路散热的技术领域，尤其涉及一种三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其针对两排处理器相邻位于左侧而存储器位于右侧的情况，可以有效的带走处理器的热量、降低芯片的最高温度、对流换热效果大大提升，提高温度分布的均匀性，相对于整体较密的微通道可提高最低温度，降低温差，同时有效的降低了流动损失。
背景技术
近几年来，随着工业技术的迅猛发展，特别是军工领域对微电子器件的要求不断提高。三维堆叠集成电路可同时满足高频高速、低延迟、低噪声、低功耗的多重需求，引起了国内外学者和工程师的高度重视。研究者对三维堆叠多核处理器的集成技术、构架设计、代价分析、温度控制、线路规划、可靠性分析等方面有广泛的研究。但随着工业需求的不断提高，高度集成电路的垂直堆叠使得处理器的功耗密度在相同面积上呈指数增长，导致发热量急剧增大；同时由于各层电路间的连接层绝缘介电层的低导热性，这将会导致处理器出现热量集中、局部温度过高、甚至高温失效等问题。研究数据显示，电子器件的失效50％以上是由于散热问题导致的，器件的温度超过80℃，温度每增加1℃，器件可靠性下降5％。传统的冷却方式以及应用于二维器件的外部微通道热沉等已经无法有效地带走器件的发热量。因此，迫切需要研发针对三维堆叠多核处理器散热的解决方案，并用以指导三维堆叠多核处理器的设计和应用。
目前国内外针对三维堆叠多核处理器散热性能主要分为以下两方面研究：1)合理布局芯片的功能模块，平衡每层模块的功耗密度和各层间模块的功耗密度，防止出现局部过热导致的电路失效；2)采用先进的强化换热技术，将芯片内的热量传到外界环境。然而，随着三维堆叠多核处理器的高度集成，功率急剧增加，即使通过合理布局功能模块，大功率芯片的最高温度仍然会高达150℃左右。同时，由于三维堆叠结构层间绝缘电介层的低导热性，即使通过外部强化传热装置：强迫对流的风扇、背部粘贴热扩展板和液冷微散热器等，不直接与换热装置接触的电路层所产生的热量还是很难散去，产生很多热隐患，不断积累的热量将严重损害芯片的性能，甚至可能导致芯片失效。三维堆叠结构中的采用高导热材料的热通孔技术，其增强内部的导热均衡各层之间的热量，但内部产生的大量热量还是很难祛除，同时热通孔的布局受布线资源的限制且过多的热通孔将导致芯片可靠性降低。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其针对两排处理器相邻位于左侧而存储器位于右侧的情况，可以有效的带走处理器的热量、降低芯片的最高温度、对流换热效果大大提升，提高温度分布的均匀性，相对于整体较密的微通道可提高最低温度，降低温差，同时有效的降低了流动损失。
这种三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其包括：密封片(1)、冷却层(2)、多核处理器层(3)、连接层(4)、流体入口(5)、流体出口(6)、蓄液槽(7)、非均匀复杂结构微通道(8)、通道底部(9)、金属通孔(10)、处理器(11)、存储器(12)、绝缘电介质(13)；
密封片、冷却层、多核处理器层、连接层位置关系为上下结构，依次为：密封片、上层的冷却层、上层的多核处理器层、连接层、中间的冷却层、中间的多核处理器层、连接层、中间的冷却层、中间的多核处理器层、连接层、底层的冷却层、底层的多核处理器层；
左右两侧的蓄液槽和四层多根并联冷却层的微通道垂直连通，密封片的流体入口、流体出口分别与蓄液槽连通，形成流体回路；冷却层中的金属通孔与连接层的电连接金属连接，与连接层的绝缘电介质实现各层电路的有效连通；
两排处理器相邻位于左侧，存储器位于右侧；传热方式包括单相对流传热和流动沸腾相变传热；
针对单相对流传热：冷流体由流体出口(6)流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体入口(5)流出，流体在通道内从右往左流动；
微通道沿流动方向分阶段加密，在存储器相应位置的间距最大，在右排处理器对应位置微通道进行第一次加密；在左排处理器相应位置微通道进行第二次加密；
针对流动沸腾相变传热：冷流体由流体入口(5)流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体出口(6)流出，流体在微通道内从左往右流动；微通道在流入处最密，且沿流动方向进行通道分阶段逐次加宽。
本发明通过两排处理器相邻位于左侧，存储器位于右侧；传热方式包括单相对流传热和流动沸腾相变传热；针对单相对流传热：冷流体由流体出口流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体入口流出，流体在通道内从右往左流动；微通道沿流动方向分阶段加密，在存储器相应位置的间距最大，在右排处理器对应位置微通道进行第一次加密；在左排处理器相应位置微通道进行第二次加密；针对流动沸腾相变传热：冷流体由流体入口流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体出口流出，流体在微通道内从左往右流动；微通道在流入处最密，且沿流动方向进行通道分阶段逐次加宽；因此可以有效的带走处理器的热量、降低芯片的最高温度、对流换热效果大大提升，提高温度分布的均匀性，相对于整体较密的微通道可提高最低温度，降低温差，同时有效的降低了流动损失。
附图说明
图1示出了根据本发明的三维堆叠集成电路的发热量处理设备的立体图。
图2(a)是图1的A-A剖视图；
其中：1、密封片；2、冷却层；3、多核处理器层；4、连接层；5、流体入口；6、流体出口；7、蓄液槽；8、非均匀复杂结构微通道；9、通道底部；10、金属通孔；11、处理器；12、存储器；13、绝缘电介质；
图2(b)是图1的主视图；
图2(c)是图2(b)的B-B剖视图；
图2(d)是图2(b)的C-C剖视图；
图2(e)是图2(b)的D-D剖视图；
图2(f)是图2(b)的E-E剖视图；
图2(g)是图2(b)的F-F剖视图；
图2(h)是图2(b)的G-G剖视图；
图2(i)是图2(b)的H-H剖视图；
图2(j)是图2(b)的I-I剖视图；
图2(k)是图2(b)的J-J剖视图；
图2(l)是图2(b)的K-K剖视图；
图3是本发明的微通道结构示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，这种三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其包括：密封片1、冷却层2、多核处理器层3、连接层4、蓄液槽7、非均匀复杂结构微通道8、通道底部9、绝缘电介质13；
密封片、冷却层、多核处理器层、连接层位置关系为上下结构，依次为：密封片、上层的冷却层、上层的多核处理器层、连接层、中间的冷却层、中间的多核处理器层、连接层、中间的冷却层、中间的多核处理器层、连接层、底层的冷却层、底层的多核处理器层；左右两侧的蓄液槽和四层多根并联冷却层的微通道垂直连通，密封片的流体入口、流体出口分别与蓄液槽连通，形成流体回路；冷却层中的金属通孔与连接层的电连接金属连接，与连接层的绝缘电介质实现各层电路的有效连通；
两排处理器相邻位于左侧，存储器位于右侧；传热方式包括单相对流传热和流动沸腾相变传热；
针对单相对流传热：冷流体由流体出口6流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体入口5流出，流体在通道内从右往左流动；微通道沿流动方向分阶段加密，在存储器相应位置的间距最大，在右排处理器对应位置微通道进行第一次加密；在左排处理器相应位置微通道进行第二次加密；通道加密，对流换热面积增大，流体扰动增强，对流换热效果提升，克服了由流体温度升高了换热恶化，提高的温度分布的均匀性；同时相对于整体较密的微通道，可提高最低温度，降低温差，同时有效的降低了流动损失。
针对流动沸腾相变传热：冷流体由流体入口5流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体出口6流出，流体在微通道内从左往右流动；微通道在流入处最密，且沿流动方向进行通道分阶段逐次加宽。周期性变截面的微通道结构增大了沸腾的核化中心，强化了核态沸腾换热；同时周期性的变截面通道易存液，强化了环状流沸腾换热，周期性的变截面增强了液膜的扰动，增加了对沸腾换热效果。
本发明通过两排处理器相邻位于左侧，存储器位于右侧；传热方式包括单相对流传热和流动沸腾相变传热；针对单相对流传热：冷流体由流体出口流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体入口流出，流体在通道内从右往左流动；微通道沿流动方向分阶段加密，在存储器相应位置的间距最大，在右排处理器对应位置微通道进行第一次加密；在左排处理器相应位置微通道进行第二次加密；针对流动沸腾相变传热：冷流体由流体入口流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体出口流出，流体在微通道内从左往右流动；微通道在流入处最密，且沿流动方向进行通道分阶段逐次加宽；因此可以有效的带走处理器的热量、降低芯片的最高温度、对流换热效果大大提升，提高温度分布的均匀性，相对于整体较密的微通道可提高最低温度，降低温差，同时有效的降低了流动损失。
优选地，每个微通道的流入处具有相同的宽度。
优选地，最密通道最左侧宽均为50微米，通道最左侧的肋壁厚50微米。
优选地，肋壁上一侧是周期性长100微米的锯齿凹坑结构，凹坑深25微米，凹坑的短边沿流动方向的距离是30微米，长边沿流动方向为70微米；肋壁的另一侧先是75微米的平直结构，之后为周期性长度为100微米的凹穴，凹坑的短边沿流动方向的距离是30微米，长边沿流动方向为70微米。
优选地，中间较密结构的微通道结构是将最密通道的三根通道一分为二成2根通道，肋壁是在厚度为75微米的矩形长条肋的两侧对称的上依次形成锯齿凹坑结构。
优选地，锯齿凹坑结构的凹坑深25微米，凹坑的短边沿流动方向的距离是30微米，长边沿流动方向为70微米。
优选地，最密结构的肋壁和中间较密结构的肋壁在垂直方向的距离为25微米，出口处的肋壁厚为50微米。
优选地，最疏通道结构是把中间较密结构微通道较宽的肋壁去掉，通道宽度最小为250微米，最大为300微米，肋壁结构与最密通道的肋壁结构相同。
本发明具有下列优点与效果：
1、通道加密，对流换热面积增大，流体扰动增强，对流换热效果提升，克服了由流体温度升高了换热恶化，提高的温度分布的均匀性；同时相对于整体较密的微通道，可提高最低温度，降低温差，同时有效的降低了流动损失。
2、周期性变截面的微通道结构增大了沸腾的核化中心，强化了核态沸腾换热；同时周期性的变截面通道易存液，强化了环状流沸腾换热，周期性的变截面增强了液膜的扰动，增加了对沸腾换热效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其包括：密封片(1)、冷却层(2)、多核处理器层(3)、连接层(4)、流体入口(5)、流体出口(6)、蓄液槽(7)、非均匀复杂结构微通道(8)、通道底部(9)、金属通孔(10)、处理器(11)、存储器(12)、绝缘电介质(13)；
密封片、冷却层、多核处理器层、连接层位置关系为上下结构，依次为：密封片、上层的冷却层、上层的多核处理器层、连接层、中间的冷却层、中间的多核处理器层、连接层、中间的冷却层、中间的多核处理器层、连接层、底层的冷却层、底层的多核处理器层；左右两侧的蓄液槽和四层多根并联冷却层的微通道垂直连通，密封片的流体入口、流体出口分别与蓄液槽连通，形成流体回路；冷却层中的金属通孔与连接层的电连接金属连接，与连接层的绝缘电介质实现各层电路的有效连通；
其特征在于：
两排处理器相邻位于左侧，存储器位于右侧；传热方式包括单相对流传热和流动沸腾相变传热；
针对单相对流传热：冷流体由流体出口(6)流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体入口(5)流出，流体在通道内从右往左流动；微通道沿流动方向分阶段加密，在存储器相应位置的间距最大，在右排处理器对应位置微通道进行第一次加密；在左排处理器相应位置微通道进行第二次加密；
针对流动沸腾相变传热：冷流体由流体入口(5)流入，在内部进行微通道对流换热后，从流体出口(6)流出，流体在微通道内从左往右流动；微通道在流入处最密，且沿流动方向进行通道分阶段逐次加宽。
2.根据权利要求1所述的三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其特征在于：每个微通道的流入处具有相同的宽度。
3.根据权利要求2所述的三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其特征在于：最密通道最左侧宽均为50微米，通道最左侧的肋壁厚50微米。
4.根据权利要求3所述的三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其特征在于：肋壁上一侧是周期性长100微米的锯齿凹坑结构，凹坑深25微米，凹坑的短边沿流动方向的距离是30微米，长边沿流动方向为70微米；肋壁的另一侧先是75微米的平直结构，之后为周期性长度为100微米的凹穴，凹坑的短边沿流动方向的距离是30微米，长边沿流动方向为70微米。
5.根据权利要求4所述的三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其特征在于：中间较密结构的微通道结构是将最密通道的三根通道一分为二成2根通道，肋壁是在厚度为75微米的矩形长条肋的两侧对称的上依次形成锯齿凹坑结构。
6.根据权利要求5所述的三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其特征在于：锯齿凹坑结构的凹坑深25微米，凹坑的短边沿流动方向的距离是30微米，长边沿流动方向为70微米。
7.根据权利要求6所述的三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其特征在于：最密结构的肋壁和中间较密结构的肋壁在垂直方向的距离为25微米，出口处的肋壁厚为50微米。
8.根据权利要求7所述的三维堆叠集成电路的发热量处理设备，其特征在于：最疏通道结构是把中间较密结构微通道较宽的肋壁去掉，通道宽度最小为250微米，最大为300微米，肋壁结构与最密通道的肋壁结构相同。
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CN116454045A (zh) * 2023-04-12 2023-07-18 广东工业大学 一种利用流体反向热泳散热的具有微通道的芯片衬底及散热***

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