基于下粗上细型TSV的嵌套式散热网络结构的制作方法

本发明属于集成电路技术领域，尤其涉及一种基于下粗上细型tsv的嵌套式散热网络结构及制备方法。

背景技术：

三维集成是突破摩尔定律极限的重要技术，而硅直通孔（throughsiliconvia，tsv）作为连接上、下层器件的导电通道，是实现三维集成电路的关键组件，它的特性对三维集成电路的整体性能具有决定性作用。tsv主要功能体现在两方面：一是显著缩短互连线长度，提高系统的集成度和性能，二是实现异种元件和系统的集成。tsv的另一个重要功能是作为热疏导通路，增强三维集成系统的热负载能力，利用tsv阵列来疏导芯片内部的热量时，需要设置合适的tsv半径、密度和间距以减小热应力对载流子迁移率的影响，从而提高芯片的可靠性。实现三维系统的集成，有利于提高信号传输效率，但是系统的功率密度也急剧增大，这将导致严重的散热问题，成为限制三维集成电路发展的瓶颈。于是，如何将三维集成电路中芯片的温度快速散去，实现有效的传热便成为三维集成电路发展的关键。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于下粗上细型tsv的嵌套式散热网络结构，以解决现有技术平面集成工艺互连线长、版图面积大、制造成本高等技术问题以及解决三维集成功率系统的热稳定性问题。

本发明技术方案

一种基于下粗上细型tsv的嵌套式散热网络结构，它包括：顶层芯片、中间层芯片和底层芯片，所述顶层芯片、中间层芯片和底层芯片重叠放置，顶层芯片、中间层芯片和底层芯片通过sio2与底部铜热层键合在一起；顶层芯片、中间层芯片和底层芯片上均匀设置有散热tsv孔。

所述散热tsv孔在底层芯片中tsv孔的半径最大，中间层芯片中tsv孔的半径次之，顶层芯片中tsv孔的半径最小。

散热tsv孔有36个，tsv孔与tsv孔之间的距离相等，且三层芯片中的tsv孔中心对齐。

散热tsv孔有二层材料；内层未cu、外层为sio2。

顶层芯片、中间层芯片和底层芯片通过sio2键合在一起。

本发明的有益效果：

本发明不仅提高了系统的集成度和各功能模块的性能，并且将三层芯片在垂直方向上堆叠在一起，通过键合使界面上的互连导电材料熔合在一起，实现功率系统的三维集成，解决了平面集成工艺互连线长、版图面积大、制造成本高等技术问题；设计中对各层芯片中tsv的半径进行优化，确保三维系统中各层芯片有较优的内部热疏导结构，选择合适的绝缘导热材料作为tsv的缓冲层，快速地将芯片内部产生的热量疏导至铜散热器，确保热量能被及时有效地散发掉，解决了三维集成功率系统的热稳定性问题。

附图说明：

图1为本发明结构侧视示意图；

图2为本发明结构顶部示意图。

具体实施方式：

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明方案进行说明：

从图1和2可以得到该三维嵌套式散热模型为三层芯片的堆叠，上、中、下三层功率芯片以二氧化硅介质键合在一起，经二氧化硅安装在铜散热基座上，从图中可以得到，键合层sio2的厚度为h0，单层硅芯片的厚度为h0，功率元胞的长和宽分别为l0、w0，厚度为z0，三维堆叠散热模型的功耗由图中的小正方块产生，简称功率元胞，产生的热量沿着芯片垂直传导，最终通过铜散热器消失。功率块和tsv均匀分布于硅衬底上，每个功率块周围有四个tsv。功率块之间的间距根据tsv的直径大小和安全距离调整，热源为体热源，热源实际热路程将缩短，近似认为热路程缩短为二分之一热源纵向厚度。

三维嵌套式散热网络对三层芯片进行堆叠，三层芯片尺寸相等；三维嵌套式散热网络由三层芯片堆叠而成，芯片与芯片之间通过sio2键合在一起，三层芯片的面积、厚度保持一致；

底层芯片中tsv的半径最大，中间层芯片中tsv的半径次之，顶层芯片中tsv的半径最小；

三层芯片中的tsv皆为散热tsv，tsv间距相等。

三层芯片中共有75个功率元胞，三层芯片通过sio2键合在一起；三维嵌套式散热网络的功耗由图中的功率块产生，简称功率元胞，功率块和tsv均匀分布于硅衬底上，图1所示的三维嵌套式散热网络有三层芯片，每一层芯片中包含25个功率元胞，因此三层芯片中总共75个功率元胞，图中三层芯片通过sio2键合在一起。

顶层芯片、中间层芯片以及底层芯片中各有36个散热tsv。顶层芯片中tsv的半径最小，底层芯片中tsv的半径最大，中间层芯片中tsv的半径次之，tsv与tsv之间的距离相等，且三层芯片中的tsv中心对齐。

所述散热tsv的孔包括中心的cu、外层的sio2。

三层芯片通过sio2与铜热沉键合在一起。

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明方案进行细化说明：

首先对均匀型tsv进行优化，即是将下粗上细型tsv三维嵌套式散热网络中三层芯片中的tsv半径设置相同，对于均匀型tsv的三维嵌套式散热网络进行优化设计，即分别改变tsv的半径、密度和间距，分别对其进行仿真，得到中三维嵌套式散热网络三层芯片的温度随tsv半径、密度、间距的变化曲线，对这三条曲线进行分析，得到散热较好的tsv半径、间距和密度，将此tsv的半径作为下粗上细型tsv三维嵌套式散热网络模型中顶层芯片中的tsv半径，下粗上细型tsv三维嵌套式散热模型中tsv的间距和密度与优化所得的均匀型tsv的间距和密度保持一致。

其次对下粗上细型tsv三维嵌套式散热模型进行优化设计。对均匀型tsv的三维嵌套式散热网络进行优化，得出均匀型tsv的半径，选取该tsv的半径作为下粗上细型tsv三维嵌套式散热模型中顶层芯片tsv的半径，依次增大中间层芯片和底层芯片中tsv的半径，分别进行仿真，得到下粗上细型tsv三维嵌套式散热模型中三层芯片的温度随中间层芯片和底层芯片tsv半径的变化曲线，对这两条曲线进行分析，得到散热较好中间层芯片tsv半径和底层芯片tsv半径。

完成各层芯片中的tsv优化以后，进一步对铜散热器进行优化。根据对均匀型tsv的三维嵌套式散热模型、下粗上细型tsv的三维嵌套式散热模型中tsv半径的优化，将基于下粗上细型tsv的三维嵌套式散热网络模型中三层芯片tsv的半径分别设为：顶层芯片中tsv的半径为优化所得的均匀型tsv的半径，中间层芯片tsv的半径和底层芯片tsv的半径分别是下粗上细型tsv模型中优化所得的中间层芯片tsv半径和底层芯片tsv半径，将此模型设为基于下粗上细型tsv的三维嵌套式散热模型，然后对底层芯片下的铜散热器进行优化设计，对铜散热器进行优化设计，主要是增加铜散热器的横截面积，也即通过增加铜散热器翅片的数量，研究基于下粗上细型tsv的三维嵌套式散热网络的温度随铜散热器翅片数量的变化，最后得到散热效果较优的基于下粗上细型tsv的三维嵌套式散热模型。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于下粗上细型TSV的嵌套式散热网络结构，它包括：顶层芯片、中间层芯片和底层芯片，其特征在于：所述顶层芯片、中间层芯片和底层芯片重叠放置，顶层芯片、中间层芯片和底层芯片通过SiO2与底部铜热层键合在一起；顶层芯片、中间层芯片和底层芯片上均匀设置有散热TSV孔；解决了三维集成功率系统的热稳定性问题。

技术研发人员：马奎;杨发顺;杨勋勇;王勇勇;施建磊;韩志康
受保护的技术使用者：贵州大学
技术研发日：2019.07.02
技术公布日：2019.08.16