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尽在芯片揭秘●科研前线

八十年代，工程界和学术界提出了微通道散热器，将高端液体冷却系统带入了工程应用领域。如今，高端3D-IC产品的积热散热成为了一大难题，面对这一行业发展瓶颈，西电研究团队进行了微通孔散热结构的创新研究，相关成果刊载于封装技术领域顶级期刊IEEE TCPMT。

通过先进封装技术实现3D堆叠结构，大大降低了多芯片互连的延迟与能耗，使得整体系统的性能和能效显著提高。但随着摩尔定律推动晶体管体积不断缩小，芯片整体的热密度也在不断增加，积热成为系统设计中不得不考虑的一大问题。

随着3D集成技术的发展，传统的暴力风冷散热越来越不能满足3D-IC的散热需求，尤其在服务器等HPC和数据相关领域，问题尤其严重。在3D-IC中，通过TSV通孔改善了电路的信号传输，降低了互连延迟，但TSV导热系数带来的散热问题不可忽视。

微通道散热结构是一种散热解决方案，通过冷却液体实现热传导和固液热扩散，可以将3D-IC中的大量热量排出，从而有效地解决芯片的积热问题。目前大多数研究都是建立热阻网络模型，分析微通道的散热能力好坏和热分布，但动态微通道散热系统需要消耗额外的能量，复杂的微通道结构也会增加制造难度。尽管微通道能提高芯片的散热性能，但不合理的微通道设计也会额外增加成本。

西安电子科技大学微电子学院研究团队针对这一空白领域进行了探索，相关成果以Optimization and Analysis of Microchannels Under Complex Power Distribution in 3-D ICs为题发表于IEEE TCPMT，宋栋梁为第一作者，董刚教授为通讯作者。

西电团队基于等效电路法，建立了集成微通道的等效导热系数模型。考虑微通道几何参数的变化和复杂的功率分布，研究了功率和冷却液流量对3D-IC温度的影响。并进一步提出了一种基于功率分布和结构参数协同优化的微通道优化模型，即功率自适应微通道(power adaptive microchannel，以下简称PAMC)，针对器件层不同的热功率分布设计了纵横比不均匀的微通道，分别讨论了无约束条件和两种约束条件下的PAMC模型的散热性能。具体研究内容概括如下：

· 构建了微通道的等效导热系数模型；

· 研究了不同参数对温度分布的影响；

· 提出了基于功率分布与结构参数协同优化的PAMC模型；

· 采用有限元方法对微通道等效导热系数模型和PAMC模型的冷却效率进行了验证。

结果表明，与传统的微通道分布模型相比，PAMC模型不仅能有效降低三维集成电路的峰值温度，有效解决了层内峰值温度过高的问题，并且其冷却效率比传统模型提高了12.6%，为其他电路设计节省了更多空间。

3D-IC中微通孔示意图

微通孔结构模型与等效电路模型

不同面积因素对换热特性的影响曲线

Q在α、β方向上的的变化

西电团队提出了精确的等效导热系数模型和3D-IC内集成微通道的优化模型，其提出的创新结构相比传统结构具有更好的散热效率对于快速热设计和节省电路设计空间具有重要意义，在芯片越来越热的当下，想必将能够有用武之地，为业界提供更有效率、成本更低的冷却解决方案。

董刚教授，西安电子科技大学博士生导师，本、硕、博毕业于在西安电子科技大学，并于2006年3月至6月赴比利时鲁汶大学和IMEC，2008年11月至2009年11月赴美国西北大学开展合作研究。目前主要研究方向为系统集成和集成电路设计方法学。

主持和参加国家自然科学基金、国防预研基金、国防基础科研、国防预研、省科技统筹创新工程项目多项，在“Microelectronics Journal”、“Chinese Science Bulletin”、“Chinese Physics B”、“Chinese Journal of Electronics”、《物理学报》、《半导体学报》等国内外核心刊物和学术会议上发表SCI/EI索引论文50余篇，申请/授权发明专利10余项，出版国家级规划教材一部。

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