CN109560050A - 一种三维集成电路散热系统 - Google Patents

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王凤娟
李玥
余宁梅
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Abstract

本发明公开了一种三维集成电路散热系统，包括设置在三维集成电路两侧的支撑架，支撑架顶部固定有气体冷却器，气体冷却器进气口连接有气体通道b，气体通道b自由端位于三维集成电路一端内部，气体冷却器出气口连接有气体通道a，气体通道a自由端位于三维集成电路另一端内部。本发明采用气体散热，所需芯片衬底中微通道横截面小，可满足超薄芯片的使用，解决了三维集成电路尺寸不断减小，散热空间不足的问题。

Description

一种三维集成电路散热系统
技术领域
本发明属于三维集成电路散热技术领域，具体涉及一种三维集成电路散热系统。
背景技术
过去的几十年里，微电子器件尺寸按照摩尔定律持续减小，电子产品性能得到空前提高。但是随着集成电路产业的不断发展，特征尺寸逐渐逼近物理极限，器件尺寸的进一步减小已经开始受到越来越多的挑战，成为摩尔定律继续维持的瓶颈。三维集成电路不再一味追求小尺寸，而是采用三维堆叠的方式来提高系统集成度，通过硅通孔(TSV)实现层间垂直互连，有效缩短了互连线长度，极大地提高了电路性能并降低了电路功耗，并且可以实现模拟、射频、逻辑电路等多种不同功能模块的异构集成，显著提高了芯片性能。因此，基于三维集成电路成为业界公认集成电路技术的未来发展方向，也是摩尔定律持续有效的有力保证。
但是，相对于传统芯片，三维集成电路的功率密度显著增加，面临严重的散热问题。如果冷却不充分，将会使芯片性能受到极大的威胁，严重时可造成电路功能失效，使得芯片的寿命大大被缩短，不利于人们的长期使用，更不利于三维集成技术的发展。
因此，良好的散热方式将是三位集成技术不断发展的命脉，在高度集成的前提下能够有良好的散热效果成为人们研究的热点。目前用于三维集成电路散热的传统方法主要包括以下两种，第一种是通过插入专门的金属硅通孔将三维集成电路内部的热量转移到表面，然后使用热沉将热量散去。但是该方法散热效率很低，而且散热硅通孔造成芯片面积的浪费。第二种是使用循环液体冷却系统，该方法通过在芯片衬底刻蚀横向微通道，并注入循环制冷的液体将热量转移。但是由于液体表面张力的存在，微通道必须足够大。随着芯片减薄技术的不断提高，芯片衬底将不能提供足够的空间用于制作液体微通道。另外，液体泄漏还有可能造成芯片损伤、电路功能失效等可靠性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维集成电路散热系统，解决现有三维集成电路芯片衬底小，电路散热所需芯片衬底中微通道过大的问题。
本发明采用的技术方案是，一种三维集成电路散热系统，包括设置在三维集成电路两侧的支撑架，支撑架顶部固定有气体冷却器，气体冷却器进气口连接有气体通道b，气体通道b自由端位于三维集成电路一端内部，气体冷却器出气口连接有气体通道a，气体通道a自由端位于三维集成电路另一端内部。
本发明的技术特征还在于，
其中，三维集成电路的内部设置有横向和纵向相接的微通道，微通道一侧与气体通道b进气口相连通，相对的另一侧与气体通道a出气口相连通。
微通道与气体通道b进气口相连的一侧开设有进气口，所述进气口与氮气罐出气口相连。
气体通道a内设置有将冷却后气体抽入三维集成电路中的气泵。
气泵为电动气泵。
三维集成电路底部设置有印刷电路板，印刷电路板与三维集成电路的芯片之间通过多个水平排列的焊接球连接。
三维集成电路的四周设置有固定装置，支撑架底部固定在固定装置底面上。
本发明的有益效果是，
(1)在三维集成电路中设置散热系统，减少了温度对芯片及电路的影响，使电路可以长期按预测的速率运转，增加了三维集成电路的使用寿命；
(2)采用气体散热，所需芯片衬底中微通道横截面小，可满足超薄芯片的使用，解决了三维集成电路尺寸不断减小，散热空间不足的问题；
(3)以氮气作为循环气体，不会与电路周围的物质发生物理化学反应，保证了三维集成电路的可靠性；氮气密度小于空气，携带热量的氮气不用借助外力，可直接通过气体通道b进入气体冷却器内。
附图说明
图1是本发明一种三维集成电路散热系统的结构示意图；
图2是本发明一种三维集成电路散热系统中三维集成电路的结构示意图。
图中，1.气体冷却器，2.支撑架，3.三维集成电路，4.焊接球，5.印刷电路板，6.气体通道a，7.气体通道b，8.气泵，9.固定装置，10.微通道。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于该具体实施方式。
本发明一种三维集成电路散热系统包括设置在三维集成电路上的气体循环系统及其支撑机构。
参照图1和图2，气体循环系统包括设置在三维集成电路3顶部的气体冷却器1，气体冷却器1进气口连接有气体通道b7，气体通道b7自由端位于三维集成电路3一端内部，使集成电路内部热气通过气体通道b7输送至气体冷却器1内部进行冷却；气体冷却器1出气口连接有气体通道a6，气体通道a6自由端位于三维集成电路3另一端内部，气体通道a6内设置有将冷却后气体抽入三维集成电路3中的电动气泵8，便于快速将冷却后的气体输送至三维集成电路3内部，进而降低电路温度。
气体循环系统还包括设置在三维集成电路空余硅衬底中的微通道10，微通道10的横向和纵向通道相连接，微通道10一侧上开设有进气口，该进气口与氮气罐出气口相连接，该侧微通道还与气体通道b7进气口相连通，氮气为惰性气体，将其冷却后输送至三维集成电路中，不会与周围的物质发生物理化学反应，保证了三维集成电路的可靠性。微通道10相对的另一侧与气体通道a6出气口相连通。
气体循环系统的支撑机构包括设置在三维集成电路底部的印刷电路板5，印刷电路板5与三维集成电路3的芯片之间通过多个水平排列的焊接球4连接，三维集成电路通过在焊接球4上引接导线实现与外部导线的连通。焊接球层和三维集成电路四周设置有固定装置9，固定装置9底面上固定有支撑气体冷却器1的竖直支撑架2，支撑架2顶部与气体冷却器1底部固定连接。
使用本发明时，先打开氮气罐出气口，将常温的氮气输送至气体冷却器1内进行冷却，调节电动气泵8，将气体冷却器1输出的冷却后氮气通过气体通道a6输送至微通道10内，以降低三维集成电路3内部温度，升温后的氮气最后通过气体通道b7输送至气体冷却器1内再次进行冷却，循环为三维集成电路降温散热。

Claims (7)

1.一种三维集成电路散热系统，其特征在于，包括设置在三维集成电路(3)两侧的支撑架(2)，支撑架(2)顶部固定有气体冷却器(1)，气体冷却器(1)进气口连接有气体通道b(7)，气体通道b(7)自由端位于三维集成电路(3)一端内部，气体冷却器(1)出气口连接有气体通道a(6)，气体通道a(6)自由端位于三维集成电路(3)另一端内部。
2.根据权利要求1所述的一种三维集成电路散热系统，其特征在于，所述三维集成电路(3)的内部设置有横向和纵向相接的微通道(10)，微通道(10)一侧与气体通道b(7)进气口相连通，相对的另一侧与气体通道a(6)出气口相连通。
3.根据权利要求2所述的一种三维集成电路散热系统，其特征在于，所述微通道(10)与气体通道b(7)进气口相连的一侧开设有进气口，所述进气口与氮气罐出气口相连。
4.根据权利要求1所述的一种三维集成电路散热系统，其特征在于，所述气体通道a(6)内设置有将冷却后气体抽入三维集成电路(3)中的气泵(8)。
5.根据权利要求4所述的一种三维集成电路散热系统，其特征在于，所述气泵(8)为电动气泵。
6.根据权利要求1所述的一种三维集成电路散热系统，其特征在于，所述三维集成电路(3)底部设置有印刷电路板(5)，印刷电路板(5)与三维集成电路(3)的芯片之间通过多个水平排列的焊接球(4)连接。
7.根据权利要求6所述的一种三维集成电路散热系统，其特征在于，所述三维集成电路(3)的四周设置有固定装置(9)，支撑架(2)底部固定在固定装置(9)底面上。
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