使用石墨烯导热层的三维集成电路的散热方法研究

摘 要 三维集成电路芯片具有高密度和低功耗等特点，可以把多层平面器件堆叠起来，在垂直方向上通过使用硅通孔进行相互连接，但同时也造成了较高的功耗密度，从而导致所产生的热量不易从芯片的内部散发出去。本文对使用石墨烯层来实现三维芯片的散热进行了研究，利用ANSYS软件平台对芯片层的峰值温度进行了建模与分析，实验结果说明石墨烯层可以将芯片内部所产生的热量快速地分散开，从而可以提供一种良好的横向散热通道。

【关键词】三维集成电路 硅通孔 热分析 石墨烯 散热方式

1 引言

近年来，由于集成电路设计与制造技术的发展，特征尺寸越来越小，电路芯片的集成度不断提高。这也使得芯片的单位面积上的功耗不断上升，导致芯片的峰值温度也越来越高，使整个芯片的发热密度显著增加。若不能把芯片产生的热量及时和有效地散发出去，就会造成芯片内部的热量积累，并使得芯片内部器件的结温升高。

若芯片的工作温度太高，会使得芯片的一些特性参数逐步退化，从而影响芯片的可靠性，甚至会造成芯片的功能失效，而最终影响芯片的使用寿命。因此，在进行集成电路芯片的设计时，需要考虑对峰值温度的处理与散热问题。本文针对采用硅通孔（Through Silicon Via，TSV）的三维集成电路芯片结构，通过使用石墨烯层对芯片进行散热，利用ANSYS软件平台对芯片层的峰值温度进行了建模与分析。

2 三维芯片的结构

三维集成电路芯片是把多层平面器件堆叠起来，以实现高密度、低功耗、多功能等要求，它可以显著地减短电路中的信号线的总长度，并降低功耗。三维芯片的设计采用硅通孔TSV，使得可以在垂直方向上进行相互连接，并起到信号导通和传热等作用。三维芯片按照使用的堆叠方式，可以把它分为如下三类：面部对面部的绑定，面部对背部的绑定，背部对背部的绑定。

三维集成电路芯片所采用的堆叠方式也会造成较高的功耗密度，使所产生的热量不易从芯片的内部散发出去。例如，由于芯片内部的漏电流的迅速增加，可导致温度的进一步升高，从而会出现局部温度升高的热点区域；如果没有及时和有效的温度控制机制，这将会最终导致芯片的功能失效。下面，我们对在三维芯片中增加一个石墨烯层来进行散热的这种方式进行研究，并说明石墨烯层对整个芯片的热效应的影响。

图1为一种具有两层堆叠的三维集成电路芯片的纵向切面示意图，其中黑色的部分为石墨烯导热层。石墨烯的热导率是各向异性的。

3 实验结果

对图1的具有两层堆叠的三维集成电路芯片，下面我们通过实验，来说明石墨烯层对芯片的温度分布的影响。设石墨烯的横向热导率为2500W/（m·K），纵向热导率为25W/（m·K），硅层与粘合层的热导率分别为400W/（m·K） 和0.1W/（m·K），硅层与粘合层的厚度分别为50μm和10μm。在进行实验仿真时，为方便，我们只研究虚线里的部分，即单根TSV的情况。设单根TSV模型的区域面积为100μm×100μm，TSV的直径为2μm。

首先，在上层（第一层）芯片的硅层表面上加载热源，对热流由上往下传递的情况进行研究。把图1中模型的四个侧面设置为绝热面，底面为等温面，为22℃；设芯片的功率密度为50W/cm2。

图2是两层芯片接触面上的温度分布图，在热流向下传递时，图2（a）是在没有石墨烯层时接触面的温度分布，图2（b）是在有石墨烯层时接触面的温度分布。上一层的热流有很大一部分是由TSV中下来，而TSV的面积很小，于是在此处会出现热量集中的情况，因此形成了热点，即在与TSV接触的位置就出现了峰值温度，如图2（a）所示；而加入了石墨烯导热层之后，峰值温度得到了较好的改善，如2（b）所示。这个结果说明石墨烯层提供了良好的横向散热通道，它可以将热量快速的分散开来，消除了上一层的TSV对下一层芯片的一些热影响，均匀了接触面上的温度。

其次，我们将热源加载在第二层芯片的上表面，来研究热流往上下两个方向传递的情况。此时将模型的上下表面都设置为等温常温面，为22℃；模型的四个侧面为绝热面。

图3是两层芯片接触面上的温度分布图，在热流向上传递时，图3（a）是在没有石墨烯层时接触面的温度分布，图3（b）是在有石墨烯层时接触面的温度分布。由于TSV与粘合层的热导率差别较大，所以会由于额外的横向热阻而产生温差。由图3（b）与图3（a）的对比可以得到，在图3（b）中的峰值温度低于在图3（a）中的峰值温度。这说明石墨烯层提供了一条低热阻的横向通道，替代了原有的高热阻的热通道，较好地均匀了热源加载面的温度。

以上两个实验说明了TSV结构对于芯片内部温度的影响，以及石墨烯导热层对温度分布的改善作用。其中，第一个实验说明了熱流向下流动时上层TSV结构对于下层芯片的影响，第二个实验说明了热流向上流动时上层TSV结构对下层芯片上温度的影响。下面对这两个实验所针对的情况进行建模分析，以进一步研究各项参数在对温度分布的改善中所起的作用与影响。图4为这两种情况下的模型。

在进行实验时，硅层的厚度为50μm，粘合层的厚度为10μm，TSV的直径为2μm，模型的横截面积为100μm×100μm，把四周均设置为等温面。在图4（a）中是在顶层加载热源，底面设置为等温面，我们研究的是热流向下流动时两层芯片接触面上的温度。在图4（b）中在底层加载热源，把顶层设置为等温面，我们研究的是热流向上流动时底面的温度。

图5（a）和图5（b）分别是图4（a）和图4（b）的模型的峰值温度与热源功率的关系曲线，此时石墨烯的层数在0到500之间变化。图5说明了在不同厚度的石墨烯层的情况下，芯片的峰值温度与加载的热源大小之间的关系。从图5可以得出，热源越大，峰值温度越高，对此需要用于改善峰值温度的石墨烯层的厚度也越高。

图6（a）和图6（b）分别是图4（a）和图4（b）的模型的峰值温度与石墨烯热导率的关系曲线，这时石墨烯的层数在50到200之间变化，此时加载的热源为6×105PW/μm2。在实际应用中石墨烯的热导率与对它的制造工艺密切有关，可以达到3080×5300W/m·K-1。图6的结果说明针对不同厚度的石墨烯，当厚度一定时若石墨烯的热导率越高，则对峰值温度的降低效果也越好。

4 结论

由于三维集成电路芯片的器件集成度高，因此它的功率密度不断增大，从而导致所产生的热量不易从芯片的内部散发出去，这会使芯片的一些特性参数逐步退化，并影响芯片的可靠性。通过在三维芯片中增加一个石墨烯层，可以将芯片内部所产生的热量快速地分散开，实验结果说明这是一种较有效的三维芯片散热方式。

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作者單位

华南师范大学物理与电信工程学院 广东省广州市 510006