CN116130437A - 3d堆叠芯片以及3d堆叠芯片散热*** - Google Patents

3d堆叠芯片以及3d堆叠芯片散热*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D堆叠芯片以及3D堆叠芯片散热***，包括分布有高单位面积功率电路的电路层和连接于电路层上方的加固层，3D堆叠芯片还包括密集排布的贯穿3D堆叠芯片的微米级的用于供冷却液通过的微水通道，微水通道包括由下至上贯穿电路层的第一微通道以及贯穿加固层的第二微通道，第一微通道与第二微通道相连通；散热***包括3D堆叠芯片和与3D堆叠芯片连通的散热装置，散热装置以及3D堆叠芯片的微水通道内填充有冷却液，散热装置驱动冷却液进行强制循环，以带走3D堆叠芯片所产生的热量；本发明通过设置密集排布的由下至上贯穿3D堆叠芯片的微米级的微水通道，使得冷却液距离热源足够近，芯片各部分温度分布均匀，使得散热效果好。

Description

3D堆叠芯片以及3D堆叠芯片散热***
技术领域
本发明属于芯片技术领域，尤其涉及一种3D堆叠芯片以及3D堆叠芯片散热***。
背景技术
芯片微水道散热方案的一种现有技术最早在1981年由D.B.Tuckerman等人提出，在这种技术的应用中，目前最好的性能记录是Zhang等人在2022年实现，其可在60℃温差下达到1200W/cm2的高密度热流。其结构具体为：微水道分布在晶体管所在位置下方的载体基底上，平行于晶体管和电路所在平面，横向贯穿芯片。但这种结构存在以下问题：微水道的长度为芯片宽度，对于尺寸大小在厘米量级的芯片，冷却液在微水道中流动时持续升温，使得冷却液沿水道延伸方向温度分布不均匀，无法为微水道后段提供良好的散热，进一步导致微水通道通过扩大直径去增加散热效果，导致微水道直径至少在百微米量级才能达到一定的散热效果；除此之外，芯片的发热主要由电路底部的晶体管产生，这种结构的微水道布置在电路下方，冷却液离热源的距离在百微米量级，难以进一步接近热源。
另一种现有技术由T.Wei等人提出，其结构具体为：一个扁平的腔体(impingementcavity)布置在芯片上方，有多个入水口和出水口均匀分布在腔体上方，由于冷却液可以从芯片上方的不同位置进入腔体，并从附近的出水口流出，解决了温度分布不均匀的问题，并在1000ml/min的流量条件下达到了6.7W/(cm2·K)的每开尔文散热功率密度。但冷却液在腔体内的流动时，因腔体内被加热而未及时排出的高温废液和新冷却液会产生汇集，导致混合在一起，进而导致腔体的温度提升，使其温度明显高于刚输入的冷却液；并且冷却液离热源的距离较远，难以进一步接近热源。
并且，以上技术都只适合为单层电路散热，而并适用于近十年兴起的3D堆叠芯片的散热，3D堆叠芯片由多层集成电路堆叠而成，电路之间由硅通孔进行通信，3D堆叠芯片的电路的面功率密度是每层电路功率密度的叠加，现有的CPU核心的功率密度约为100W/cm2，堆叠后可以达到1000W/cm2的量级。上述现有散热技术应用于3D堆叠芯片都存在以下问题：由于离微水道较远电路层的散热需要指向微水道的负温度梯度，但由于离微水道较近电路层的发热，这个负温度梯度集中在离微水道最近的一层电路与微水道之间，使得只有离微水道最近的一层电路能得到较大的散热功率，而离微水道较远的电路层难以得到散热，导致各电路层散热不均，进而导致散热能力受到限制。
因此，基于上述因素考虑，如何减小3D堆叠芯片各处温度的不均匀性，如何使冷却液充分接近热源，如何让高温废液不回流而污染低温冷却液，以此提升3D堆叠芯片的散热功率密度，是亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对以上缺陷，提供一种3D堆叠芯片以及3D堆叠芯片散热***。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种3D堆叠芯片，包括分布有高单位面积功率电路的电路层和连接于所述电路层上方的加固层，所述3D堆叠芯片还包括密集排布的贯穿所述3D堆叠芯片的微米级的用于供冷却液通过的微水通道，所述微水通道包括由下至上贯穿所述电路层的第一微通道以及贯穿所述加固层的第二微通道，所述第一微通道与所述第二微通道相连通。
进一步地，优选所述微水通道的分布密度的数量级处于每平方毫米为103到105个。
进一步地，优选所述微水通道在所述电路层中功率密度较大处的分布密度比功率密度较小处的分布密度更密集。
进一步地，优选所述加固层包括基底，所述基底上开设有微米级通孔，所述微米级通孔形成所述第二微通道，所述第二微通道的直径大于所述第一微通道的直径，且为所述第一微通道的直径的3～10倍。
进一步地，优选单个所述第一微通道与单个所述第二微通道一一对应设置，或者多个所述第一微通道与单个所述第二微通道对应设置。
进一步地，优选所述第一微通道与所述第二微通道错开设置，所述加固层底部开设有横向延伸的第一微槽，所述第一微槽将所述第一微通道与所述第二微通道连通。
进一步地，优选相邻两个所述第一微通道之间的间距为0.5μm～100μm。
进一步地，优选所述第一微通道的直径为1μm～10μm，长度为10μm～500μm；所述第二微通道的直径为5μm～50μm，长度为1～5mm。
进一步，优选相邻两层所述电路层之间设置有基底硅片，相邻所述电路层的第一微通道相互错开设置，所述基底硅片内开设有横向延伸的第二微槽，所述第二微槽将相邻两层的所述电路层的所述第一微通道相连通。
进一步地，优选所述微水通道通过等离子刻蚀法在所述3D堆叠芯片上刻蚀形成，并通过化学气相沉积方法在所述微水通道内壁面上形成绝缘层。
本发明还提供一种3D堆叠芯片散热***，包括所述的3D堆叠芯片和与所述3D堆叠芯片连通的散热单元，所述散热单元以及所述3D堆叠芯片的微水通道内填充有冷却液；
所述散热单元包括入水管道、出水管道、设置于两者之间的循环水泵以及冷却装置，所述入水管道与所述微水通道输入端对应连通，所述冷却装置的输出端与所述入水管道相连通，所述冷却装置的输入端与所述出水管道相连通，所述出水管道与所述微水通道输出端对应连通，所述循环水泵用于驱动冷却液进行强制循环，以带走所述3D堆叠芯片所产生的热量。
本发明的有益效果：本发明提供的3D堆叠芯片，通过设置密集排布的由下至上贯穿3D堆叠芯片的微米级的用于供冷却液通过的微水通道，使得冷却液距离热源的距离足够近，热源各处都能得到很直接的散热；由于微水通道由下至上贯穿3D堆叠芯片，使得微水通道的有效长度即第一微通道长度非常短，且冷却液充分接近各层电路层，使得即使冷却液沿流动方向存在很大的温度梯度，但冷却液在第一微通道出口处与入口处温差不大，避免了冷却液在微水通道接近出口处温度过高、导致微水通道接近出口处附近热源散热困难的情况，使得芯片各位置温度更为平均。本发明提供的3D堆叠芯片散热***，循环水泵驱动冷却液进行强制循环，带走3D堆叠芯片所产生的热量；3D堆叠芯片可获得更大的散热功率密度，或者在一定功率密度下达到更小的温差；这能够降低个人电脑、企业机房、数据中心和超算的散热成本，有利于能源节省和环保；解决了高功率密度的多层3D堆叠芯片的散热问题，实现将大量晶体管集成到很小的面积上的设计，以此降低电路各部分之间的通信开销。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一些实施例的3D堆叠芯片的立体结构局部示意图；
图2是本发明一些实施例的3D堆叠芯片的另一立体结构局部示意图；
图3是本发明一些实施例的3D堆叠芯片的局部俯视图；
图4是本发明一些实施例的3D堆叠芯片的立体结构局部示意图；
图5是本发明一些实施例的3D堆叠芯片散热***的立体结构***示意图；
图6是本发明一些实施例的3D堆叠芯片散热***的立体结构俯视图；
图7-图12是本发明一些实施例中3D堆叠芯片的不同入口压强p、第一微通道间距a、第一微通道截面半径r的部分参数点图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-图3所示，一种3D堆叠芯片，包括分布有高单位面积功率电路的多层电路层1和连接于电路层1上方的加固层2；3D堆叠芯片还包括密集排布的贯穿3D堆叠芯片的微米级的用于供冷却液通过的微水通道3，微水通道3包括由下至上贯穿电路层1的第一微通道31以及贯穿加固层2的第二微通道32，第一微通道31与第二微通道32相连通，这里的贯穿可以是直线贯穿，也可以是弯折贯穿，或者是弯曲贯穿；优选垂直径直贯穿，这样设置冷却液的流经路径更短，也减少生产难度。
多层电路层1以一定间距堆叠设置，可在相邻两层电路层1之间设置有基底硅片4，可以理解的，微水通道3也同时贯穿基底硅片4。
本发明提供的3D堆叠芯片，通过设置密集排布的由下至上贯穿3D堆叠芯片的微米级的用于供冷却液通过的微水通道3，使得冷却液距离热源的距离非常近，热源各处都能得到很直接的散热；由于微水通道3由下至上贯穿3D堆叠芯片，使得微水通道3的有效长度非常短，且冷却液充分接近各层电路层1，使得即使芯片各层电路层1存在很大的温度梯度，但冷却液在微水通道3内各处温度温差并不大，避免了冷却液在微水通道3接近出口处温度过高、导致散热困难的情况，使得芯片各位置温度更为平均。本发明外界的低温冷却液由第一微通道31的输入端进入电路层1，带走各电路层1所产生的热量，形成高温冷却液，并经过并经第二微通道32输出端流出；使得3D堆叠芯片获得更大的散热功率密度，或者在一定功率密度下达到更小的温差；这能够降低个人电脑、企业机房、数据中心和超算的散热成本，有利于能源节省和环保；解决高功率密度的多层3D堆叠芯片的散热问题，实现将大量晶体管集成到很小的面积上的设计，以此降低电路各部分之间的通信开销。
进一步，优选微水通道3的分布密度的数量级处于每平方毫米为103到105个，可以理解的，微水通道3的排布非常密集，增设冷却液可流经的通道，增加散热面积，使得芯片各位置更接近微水通道3，减少芯片各处温度的不均匀。
进一步地，优选微水通道3在电路层1中功率密度较大处的分布密度比功率密度较小处的分布密度更密集，功率密度越大所产生的热量越大，功率密度越小所产生的密度也就相对越小，这样排布微水通道3使得芯片散热更合理，散热效果更好，使得芯片各位置温度相差太大。
为了给芯片提供支撑强度，减少芯片两端因冷却液的压差导致破裂，本发明在电路层1上方设置加固层2，加固层2用于给电路层1提供支撑强度以及提供一定的抗压支撑；电路层1上的大部分面积被集成电路占据，第一微通道31占一部分，而芯片的热量集中于电路层1产生，电路层1与冷却液的热交换以及冷却液的温度升高压力降低也集中在于第一微通道31内；加固层2上并不设置电路，第二微水通道3占据加固层2的大部分面积，以使得由第一微通道31进入第二微通道32的冷却液不会造成明显的压降，且第二微通道32之间的内壁面用于抵抗电路层1上下两端的压力差。第一微通道31主要用于芯片的散热，第二微通道32主要用于在不明显增加压降的同时提高芯片的抗压表现。
进一步地，加固层2包括基底21，基底21上并不设置电路，基底21具体可为硅基底；在基底21上开设有密集排布微米级通孔，微米级通孔形成第二微通道32；为进一步减少电路层1上下两端因冷却液的压差导致破裂，优选第二微通道32的直径大于第一微通道31的直径，这样设置可减少冷却液粘滞阻力对压力差的影响；且优选第二微通道32的直径为第一微通道31的直径的3～10倍。
进一步地，优选相邻两个所述第一微通道31之间的间距为0.5μm～100μm。通过控制相邻两个第一微通道31之间的间距使得在保证散热效果的同时，减少因散热而产生的额外成本。
在一具体实施例中，单个第一微通道31与单个第二微通道32一一对应设置，可以理解的，第一微通道31的排布的数量级与第二微通道32的排布的数量级相同，设置有多少个第一微通道31就设置有多少个第二微通道32。或者，多个第一微通道31与单个第二微通道32对应设置，即第一微通道31的排布的数量级远多于第二微通道32的排布的数量级，多个第一微通道31与一个第二微通道32相连通。
在一具体实施例中，第一微通道31与第二微通道32错开设置，加固层2底部开设有横向延伸的第一微槽(未视出)，第一微槽将第一微通道31与第二微通道32连通，即第一微通道31和第二微通道32并非直接连通，而是通过第一微槽连通。
在一具体实施例中，如图4所示，相邻两层电路层1之间设置有基底21基底硅片4，相邻电路层1的第一微通道31相互错开设置，每层基底21基底硅片4内开设有横向延伸的第二微槽41，第二微槽41将相邻两层的电路层1的第一微通道31相连通。也就是说，即一层电路层1的第一微通道31与相邻层的第一微通道31并非一一对应设置，并非直线连通，而是通过设置于基底21基底硅片4内的第二微槽41相连通，第二微槽41组成第一微通道31的一部分。当然第二微槽41也可是垂直方向延伸，且为通槽，将相邻两层的电路层1的第一微通道31以最短的路径相连通。
在一具体实施例中，第一微通道31的直径为1μm～10μm，长度为10μm～500μm；第二微通道32的直径为5μm～50μm，长度为1～5mm。
进一步地，微水通道3通过等离子刻蚀法在3D堆叠芯片上刻蚀形成，具体制作方法进而参照硅通孔(TSV)的制作方法，为现有技术，具体不做详细描述；并通过化学气相沉积方法在微水通道3内壁面上形成绝缘层，防止电路层1的漏电进入微水通道3，也防止冷却液渗入集成电路中。
本发明还提供一种3D堆叠芯片散热***，如图5-图6所示，包括的3D堆叠芯片10和与3D堆叠芯片10连通的散热单元，散热单元以及3D堆叠芯片10的微水通道3内填充有冷却液；散热单元包括入水管道5、出水管道6、设置于两者之间的循环水泵7以及冷却装置8，入水管道5的一侧端部接到入水卡接头51处，入水卡接头51将电路层1底部全部覆盖，以使入水管道5与微水通道3输入端对应连通；出水管道6的一侧端部接有出水卡接头61处，入水卡接头51将加固层顶部全部覆盖，以使出水管道6与微水通道3输出端对应连通，冷却装置8的输出端与入水管道5相连通，冷却装置8的输入端与出水管道6相连通，循环水泵7用于驱动冷却液进行强制循环。低温冷却液由循环泵加压，从入水管道5输送到3D堆叠芯片10的微水通道3输入端，循环水泵7的加压使得微水通道3输入端的压力大于输出端的压力，使得冷却液克服粘滞阻力通过微水通道3，以带走3D堆叠芯片10所产生的热量，温度升高的冷却液从微水通道3的输出端排出，经出水管道6流出，冷却装置8可为风机、换热器等现有的用于冷却高温冷却液的装置，出水管道6内的温度升高的冷却液经输入端流回冷却装置8，冷却液在内部被冷却后经输出端流至入水管道5，入水管道5内人冷却液再次被循环水泵7加压，经入水管道5再次进入微水通道3，进而循环以给3D堆叠芯片10散热，循环水泵7的功率可随冷却液的温度的变化进行调整。
进一步地，优选第一微通道31入口的压强为1x10 4～5x10 6Pa，可使得冷却液克服粘滞阻力顺利进入到第一微通道31，且避免压强过大对3D堆叠芯片10造成损坏。
一个具体实施例，3D堆叠芯片由5层电路层堆叠而成以及设置于上方的一层加固层，每层电路层的集成电路间的间距为2.6μm(即设置于相邻的两个电路层之间的基底硅片的厚度为2.6μm)，5层电路层的总功率密度1200W/cm2，第一微通道沿两个正交方向周期性等距排布，间距为a，第一微通道的截面是半径为r的圆。经过对合理区间内不同入口压强p、第一微通道间距a、第一微通道截面半径r的3D堆叠芯片的参数化计算，得到计算结果并导出芯片内最高温度与入口水温的温差ΔT，其中部分参数点如图7-图12所示(图7-图12中半径间距比指的是第一微通道截面半径r/第一微通道间距a，微水道间距为第一微通道间距a)。与Zhang等人在2022年的现有技术相比，现有技术的结果显示在1200W/cm2的散热功率密度下达到60K的温差，而本发明在1200W/cm2的功率密度下选取了不同的设计参数组合(a，r，p)，由其中部分参数点如图7-图12所示，由图可知：温差ΔT与第一微通道半径r和入口压强p呈反相关，在r较小时p的影响更显著；温差ΔT在(0.5μm，50μm)范围内随第一微通道间距a先增大后减小再增大，第一微通道间距a在10到20μm时较合适。最大温差ΔT的最小计算结果仅为4.11K，也就是说，电路层的各处温度较为均匀，温差小，仅为现有技术的6.85％，发生在a＝5μm，r＝1.5μm，p＝2MPa处。在实际应用中，需要在保证散热效果以及减少因散热而产生的额外功率的前提下需要第一微通道间距尽量大、第一微通道半径尽量小、入口压力尽量低，基于该考虑有以下几个较为实用的结果：如(a，r，p)＝20μm,4μm,0.05MPa)时，ΔT＝41.69K；(a，r，p)＝(10μm,2μm 0.05MPa)时，ΔT＝449.19K；(a，r，p)＝(20μm,4μm,0.1MPa)时，ΔT＝33.01K；(a，r，p)＝(20μm,3μm,0.1MPa)时，ΔT＝449.67K；(a，r，p)＝(10μm,1.5μm,0.2MPa)时，ΔT＝444.9K；(a，r，p)＝20μm,3μm,0.2MPa)时，ΔT＝438.92K；(a，r，p)＝(10μm,1.5μm，0.5MPa)时，ΔT＝427.19K；(a，r，p)＝20μm,3μm,0.5MPa)时，ΔT＝28.22K；(a，r，p)＝(10μm,1μm,1MPa)时，ΔT＝46.24K；(a，r，p)＝(20μm,2μm,1MPa)时，ΔT＝39.11K。
本发明的3D堆叠芯片能够达到高散热密度，原因如下：
(1)冷却液离热源非常近。密集排列的微水通道直接贯穿发热的电路层所在平面，例如上述实施例中的第一微通道排布方式，该平面内离第一微通道中心最远的距离为√2a/2(a为第一微通道的排布间距)，当第一微通道的排布间距a达到微米量级时，热源各处(也就是电路层各处)都能得到很直接的散热。而现有技术中，微水通道边界处离热源的距离达到百微米的量级。
(2)冷却液温度均匀。由于电路层中第一微通道的有效长度仅为几十微米，即使这一段有很大的温度梯度，冷却液在第一微通道内各处温度的差别不大：在上述具体实施例中冷却液在第一微通道内的最高温度(冷却液出口边缘温度)与最低温度(冷却液入口温度)之差仅3K～46K。与现有技术相比，这减少了冷却液在微水通道接近出口的一段温度过高、导致散热困难的情况，使得芯片各部分温度更为平均，进而减小最大温差ΔT。
此外，本发明允许各层电路层的集成电路的堆叠间距离缩小至微米级以下，贯穿电路层的微水通道与热源集成电路的间距足够小，使得冷却液与热源集成电路的间距足够小，散热效果更好，冷却液流过各层电路层所在平面时的温度相差小。
综上所述，本发明的3D堆叠芯片可获得更大的散热功率密度，或者在一定功率密度下达到更小的温差。这能够降低个人电脑、企业机房、数据中心和超算的散热成本，有利于能源节省和环保；可以解决高功率密度的多层3D堆叠芯片的散热问题，实现将大量晶体管集成到很小的面积上的设计，例如在常规大小的芯片基板上堆叠数千个CPU核心，以此降低电路各部分之间的通信开销。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种3D堆叠芯片，其特征在于，包括多层分布有高单位面积功率电路的电路层(1)和连接于所述电路层(1)上方的加固层(2)，所述3D堆叠芯片还包括密集排布的贯穿所述3D堆叠芯片的微米级的用于供冷却液通过的微水通道(3)，所述微水通道(3)包括由下至上贯穿所述电路层(1)的第一微通道(31)以及贯穿所述加固层(2)的第二微通道(32)，所述第一微通道(31)与所述第二微通道(32)相连通。
2.根据权利要求1所述的3D堆叠芯片，其特征在于，所述微水通道(3)的分布密度的数量级处于每平方毫米为103到105个。
3.根据权利要求1所述的3D堆叠芯片，其特征在于，所述微水通道(3)在所述电路层(1)中功率密度较大处的分布密度比功率密度较小处的分布密度更密集。
4.根据权利要求1所述的3D堆叠芯片，其特征在于，所述加固层(2)包括基底(21)，所述基底(21)上开设有微米级通孔，所述微米级通孔形成所述第二微通道(32)，所述第二微通道(32)的直径大于所述第一微通道(31)的直径，且为所述第一微通道(31)的直径的3～10倍。
5.根据权利要求1所述的3D堆叠芯片，其特征在于，单个所述第一微通道(31)与单个所述第二微通道(32)一一对应设置，或者多个所述第一微通道(31)与单个所述第二微通道(32)对应设置。
6.根据权利要求1所述的3D堆叠芯片，其特征在于，所述第一微通道(31)与所述第二微通道(32)错开设置，所述加固层(2)底部开设有横向延伸的第一微槽，所述第一微槽将所述第一微通道(31)与所述第二微通道(32)连通。
7.根据权利要求1所述的3D堆叠芯片，其特征在于，相邻两层所述电路层(1)之间设置有基底硅片(4)，相邻所述电路层(1)的第一微通道(31)相互错开设置，所述基底硅片(4)内开设有横向延伸的第二微槽(41)，所述第二微槽(41)将相邻两层的所述电路层(1)的所述第一微通道(31)相连通。
8.根据权利要求1所述的3D堆叠芯片，其特征在于，所述第一微通道(31)的直径为1μm～10μm，长度为10μm～500μm；所述第二微通道(32)的直径为5μm～50μm，长度为1～5mm。
9.根据权利要求1所述的3D堆叠芯片，其特征在于，其特征在于，所述微水通道(3)通过等离子刻蚀法在所述3D堆叠芯片上刻蚀形成，并通过化学气相沉积方法在所述微水通道(3)内壁面上形成绝缘层。
10.一种3D堆叠芯片(10)散热***，其特征在于，包括权利要求1-9任意一项所述的3D堆叠芯片(10)和与所述3D堆叠芯片(10)连通的散热单元，所述散热单元以及所述3D堆叠芯片(10)的微水通道(3)内填充有冷却液；
所述散热单元包括入水管道(5)、出水管道(6)、设置于两者之间的循环水泵(7)以及冷却装置(8)，所述入水管道(5)与所述微水通道(3)输入端对应连通，所述出水管道(6)与所述微水通道(3)输出端对应连通，所述冷却装置(8)的输出端与所述入水管道(5)相连通，所述冷却装置(8)的输入端与所述出水管道(6)相连通，所述循环水泵(7)用于驱动冷却液进行强制循环，以带走所述3D堆叠芯片(10)所产生的热量。
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