CN114980504B

CN114980504B - 一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置

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Publication number: CN114980504B
Application number: CN202210887971.7A
Authority: CN
Inventors: 张坤; 邓庆文; 李顺斌; 胡守雷
Original assignee: Zhejiang Lab
Current assignee: Zhejiang Lab
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2022-07-27
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2042-07-27
Also published as: CN114980504A

Abstract

本发明公开了一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，包括电源分配组件和设置于所述电源分配组件上的插卡式供电组件，所述插卡式供电组件包括插卡式结构件和供电结构件，所述电源分配组件的上表面均布设置所述插卡式结构件，所述插卡式结构件内插设有所述供电结构件，所述供电结构件的底端通过电源传输连接件连接所述电源分配组件。本发明提升了晶圆级处理器水平面的供电功率密度，实现了供电引脚与晶圆级处理器电源引脚的镜像对应降低了晶圆基板上电源网络的复杂性和传输损耗，降低了PCB横板的翘曲度，实现了供电结构件可拆卸、可维修、可更换的效果。

Description

一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路技术领域，尤其涉及一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置。

背景技术

随着深度学习、大规模数据交换等领域对处理器算力需求的不断提升，单一处理器已经无法满足所有用于大规模数据处理的场景。于是，晶圆级处理器以其极高的互联带宽和功率密度等优势被重新提出，通过将多个同构或异构的处理器Die集成在一块晶圆或类似的高速介质上，由高速总线将各个处理器Die彼此互联，进而实现一个超大规模的处理器集群。

晶圆级处理器由大量低压、大电流负载构成，其负载具有供电电压低、尺寸小、电流密度大、损耗密度高等特点。国外晶圆处理器系统大多采用12寸基板作为载板，核心供电电压在1V以下，功率等级在15kW以上，平均功率密度约为0.3W/mm²左右。现有的晶上高性能计算与通信系统采用基于二次母线的分布式电源架构实现对上述低压、大电流负载的电压变换与瞬态功率调节，然而当供电电压低于1V时，随着负载功率和电流动态变化范围的增大，一方面要求供配电系统输出端PDN网络具有极低的阻抗，造成输出端滤波与去耦电容占用了大量基板面积，难以满足晶上系统对晶圆级封装尺寸的需求；另一方面要求电源系统使用大量低电流密度的成熟电源模块，不仅占用了大量基板面积，也会因为配电损耗增加而导致电源系统整体效率降低。

国外在高功率密度小型化电源方面已有数十年的技术积淀，主要电源厂商如Vicor、IR、TI、ADI等公司均推出了高功率密度电源产品，但其电流密度基本处于0.2W/mm²以下，与市面上主流的0.3W/mm²以上功率密度的晶圆处理器系统还有一些差距，而实际使用中，使用传统电源模块技术在对大电流负载供电时不仅需要使用大尺寸磁器件进行储能与变换，还需要使用大量电容器进行滤波去耦，这使得晶圆处理器的供电系统的密度进一步降低，无法满足晶圆级处理器系统负载对供电密度的要求。如果针对晶圆级处理器的供电密度需求进行定制研发电源模块，则存在着研发周期长、研发成本高、技术门槛高、研发风险大等风险，会进一步降低整个晶圆处理器系统的可靠性和研发的可控性，因此，选用市场上经过大量测试验证的低密度成熟电压转换模块来开发晶圆级处理器的高密度供配电系统是一个比较经济、实用、合理的选择。

晶圆级处理器系统复杂，涉及的工艺步骤较多，加工过程中存在一定的故障率和失效率，在晶圆基板与处理器Die和供电系统的连接和压合过程中、晶圆处理器系统的工作中可能出现配电网络短路、断路、处理器故障、电源系统故障等问题，而单个晶圆处理器系统的成本非常高，价格昂贵，所以需要保证其供配电系统的可维护性。此外，在晶圆级处理器系统中，大量计算单元呈密集阵列化分布，对应的供电系统热流密度集中且有大尺寸下均温的需求，供电系统的散热将影响整个晶圆级处理器系统的性能，所以在提升晶圆级处理器供配电密度的同时，需要提供相应的散热方法和途径。

所以，针对此类问题，需要一种高功率密度的供配电系统为低压大电流的晶圆处理器进行供电。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，包括电源分配组件和设置于所述电源分配组件上的插卡式供电组件，所述插卡式供电组件包括插卡式结构件和供电结构件，所述电源分配组件的上表面均布设置所述插卡式结构件，所述插卡式结构件内插设有所述供电结构件，所述供电结构件的底端通过电源传输连接件连接所述电源分配组件。

进一步地，所述供电结构件包括PCB纵板、连接器、电压转换模块、电感和电容，所述PCB纵板插设于所述插卡式结构件内，所述PCB纵板的一侧面自上而下依次设置有所述连接器、所述电压转换模块、所述电感和所述电容，所述连接器和所述电压转换模块焊接于所述PCB纵板上，所述电感和所述电容电连接。

进一步地，所述电压转换模块远离所述PCB纵板的侧面纵向均布设置有散热片，所述散热片通过导热硅脂与所述电压转换模块贴合连接。

进一步地，所述电感和所述电容均采用高频高能量密度软磁与介电材料，用于所述电压转换模块的储能。

进一步地，所述电压转换模块包括电压转换外围电压单元和电压转换核心电压单元，所述电压转换外围电压单元设置于所述电压转换核心电压单元的上方，所述电压转换外围电压单元用于晶圆级处理器与外部进行数据通信，所述电压转换核心电压单元用于晶圆级处理器的计算和处理。

进一步地，所述电源分配组件包括防翘曲金属固定盖板、PCB横板和弹性连接器，所述PCB横板上通过连接件连接所述防翘曲金属固定盖板，所述防翘曲金属固定盖板上均布设置有与所述供电结构件对应的通孔，所述通孔内设置有所述弹性连接器，所述弹性连接器的底端连接所述PCB横板，所述弹性连接器的顶端连接所述电源传输连接件。

进一步地，所述弹性连接器为毛纽扣、弹性针或微弹簧。

进一步地，所述电源传输连接件包括电源传输连接器插头和电源传输连接器插座，所述电源传输连接器插头与所述供电结构件的底端连接，所述电源传输连接器插座通过连接件固定于所述电源分配组件的上表面，所述电源传输连接器插头和所述电源传输连接器插座契合连接。

进一步地，所述插卡式结构件包括机械导轨和卡口，所述电源分配组件的上表面均布连接所述机械导轨，所述机械导轨的顶端连接所述卡口。

进一步地，所述插卡式结构件在所述电源分配组件上呈阵列化排列。

本发明的有益效果是：本发明利用市场成熟电压转换模块高度相比于长度和宽度较小的特点制作小型插卡式供电组件，提升了晶圆级处理器水平面的供电功率密度。利用电源分配组件的PCB横板实现了供电引脚与晶圆级处理器电源引脚的镜像对应，降低了晶圆基板上电源网络的复杂性和传输损耗。因为大尺寸器件都在供电结构件上，电源分配组件的PCB横板正面除了电源传输连接件没有任何器件，利用大量连接件如螺丝将电源分配组件中的防翘曲金属固定盖板和与之紧密贴合的PCB横板紧固，降低了PCB横板的翘曲度。利用供电结构件与电源分配组件之间的电源传输连接件，实现了供电结构件可拆卸、可维修、可更换的效果。利用供电结构件的空隙贴装散热片，形成散热片的散热风道，提升了供电系统的散热效率。

附图说明

图1本发明一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置的局部剖面结构示意图；

图2本发明一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置的局部示意图；

图3本发明实施例的剖面的俯视图。

附图标记说明

1-电源分配组件，11-防翘曲金属固定盖板，111-通孔，12-PCB横板，13-弹性连接器，2-插卡式供电组件，21-插卡式结构件，211-机械导轨，212-卡口，22-供电结构件，221-PCB纵板，222-连接器，223-电压转换模块，2231-电压转换外围电压单元，2232-电压转换核心电压单元，224-电感，225-电容，226-散热片，3-电源传输连接件，31-电源传输连接器插头，32-电源传输连接器插座，4-晶圆处理器贴装区域，5-水冷散热区域。

具体实施方式

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1-图2，一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，包括电源分配组件1和设置于所述电源分配组件1上的插卡式供电组件2，所述插卡式供电组件2包括插卡式结构件21和供电结构件22，所述电源分配组件1的上表面均布设置所述插卡式结构件21，所述插卡式结构件21内插设有所述供电结构件22，所述供电结构件22的底端通过电源传输连接件3连接所述电源分配组件1。

所述供电结构件22包括PCB纵板221、连接器222、电压转换模块223、电感224和电容225，所述PCB纵板221插设于所述插卡式结构件21内，所述PCB纵板221的一侧面自上而下依次设置有所述连接器222、所述电压转换模块223、所述电感224和所述电容225，所述连接器222和所述电压转换模块223焊接于所述PCB纵板221上，所述电感224和所述电容225电连接。

所述电压转换模块223远离所述PCB纵板221的侧面纵向均布设置有散热片226，所述散热片226通过导热硅脂与所述电压转换模块223贴合连接。

所述电感224和所述电容225均采用高频高能量密度软磁与介电材料，用于所述电压转换模块223的储能。

所述电压转换模块223包括电压转换外围电压单元2231和电压转换核心电压单元2232，所述电压转换外围电压单元2231设置于所述电压转换核心电压单元2232的上方，所述电压转换外围电压单元2231用于晶圆级处理器与外部进行数据通信，所述电压转换核心电压单元2232用于晶圆级处理器的计算和处理。

所述电源分配组件1包括防翘曲金属固定盖板11、PCB横板12和弹性连接器13，所述PCB横板12上通过连接件连接所述防翘曲金属固定盖板11，所述防翘曲金属固定盖板11上均布设置有与所述供电结构件22对应的通孔111，所述通孔111内设置有所述弹性连接器13，所述弹性连接器13的底端连接所述PCB横板12，所述弹性连接器13的顶端连接所述电源传输连接件3。

所述弹性连接器13为毛纽扣、弹性针或微弹簧。

所述电源传输连接件3包括电源传输连接器插头31和电源传输连接器插座32，所述电源传输连接器插头31与所述供电结构件22的底端连接，所述电源传输连接器插座32通过连接件固定于所述电源分配组件1的上表面，所述电源传输连接器插头31和所述电源传输连接器插座32契合连接。

所述插卡式结构件21包括机械导轨211和卡口212，所述电源分配组件1的上表面均布连接所述机械导轨211，所述机械导轨211的顶端连接所述卡口212。

所述插卡式结构件21在所述电源分配组件1上呈阵列化排列。

实施例：

作为晶圆级处理器的高密度供电装置，作为负载的每个晶圆处理器Die的尺寸为12mm*12mm，电压转换核心电压单元2231的核心电压为1V/32A，电压转换外围电压单元2232的外围电压为1.2V/12A，每两个晶圆处理器Die的间距为100um，采用12寸硅基板作为晶圆处理器Die的衬底基板，基板中的信号线用作晶圆处理器Die之间的数据交互，采用底部供电架构，与硅基板贴合的供电系统通过TSV为晶圆处理器Die进行供电。

见图1，一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，包括电源分配组件1和设置于所述电源分配组件1上的插卡式供电组件2，所述插卡式供电组件2包括插卡式结构件21和供电结构件22，所述供电结构件22包括PCB纵板221，材质为FR-4，板厚2mm，内部电源平面及地平面厚度为2盎司，以减小电源传输损耗，PCB纵板221的一侧面单面贴装电子元器件，另一面无任何器件，PCB纵板221的一侧面自上而下依次承载有连接器222、电压转换模块223、电感224和电容225，除了传输电源外，PCB纵板221还传输反馈信号和控制信号用作电源管理。

所述连接器222，与外部供电线缆和电源管理信号线连接，传输48V输入直流电压和PMBus电源管理信号，连接器222采用直插式焊接在PCB纵板221上，晶圆级处理器选用48V直流输入是为了在安全电压下尽量提高电压，减小电力传输损耗。

所述电压转换模块223包括电压转换外围电压单元2231和电压转换核心电压单元2232，所述电压转换外围电压单元2231设置于所述电压转换核心电压单元2232的上方。

所述电压转换外围电压单元2231采用ADI公司生产的高电流密度模块LTM4664，尺寸为16*16*7.72mm³，最大输出电流为50A，将48V的直流输入电压直接转换到外围接口电平1.2V，电压转换外围电压单元2231的电压输入端与连接器222紧邻，电压转换外围电压单元2231的输出端与所述电压转换核心电压单元2232相邻，缩减电源传输路径，进而减小传输损耗。

所述电压转换核心电压单元2232采用vicor公司生产的高电流密度模块VTM48EF012T130C01，高频软开关架构，尺寸为32.5*22*6.73mm³，最大输出电流130A，将48V的直流输入电压直接转换到外围接口电平1V，所述电压转换核心电压单元2232的电压输入端与所述电压转换外围电压单元2231或连接器222紧邻，所述电压转换核心电压单元2231的输出端与储能电感224和电容225相邻，缩减电源传输路径，进而减小传输损耗。

所述散热片226采用厚度为12mm的铝基材的多片状散热片，通过导热硅脂与电压转换模块223贴合，使用螺丝将其紧固到PCB纵板221上，因为插卡式供电组件2是阵列化对齐排列，安装在电压转换模块223上的散热片226需要将各排的风道对齐，利于形成对流，将热量尽快扇出。散热片226为厚度12mm的纯铝制铲齿结构。

所述电感224在本实施例中已经被集成到电压转换模块223的内部，所以不占用额外的PCB纵板221空间。

所述电容224对于电压转换外围电压单元2231采用的LTM4664，由8个330uF的陶瓷电容组成，对于电压转换核心电压单元2232采用的VTM48EF012T130C01，由一个325uF的陶瓷电容组成。

电源传输连接器插头3位于供电结构件22的末端，其多个插针分别传输电压转换核心电压单元2232的核心电压、电压转换外围电压单元2231的外围电压、部分信号，与位于电源分配组件1上的插座针孔对应。

电源传输连接器插座32通过多个连接件比如螺丝固定在防翘曲金属固定盖板11上，使所有的受力都由厚的防翘曲金属固定盖板11提供，改善与大尺寸硅基板贴合的PCB横板12的翘曲度，在插拔供电结构件22时基本不影响到PCB横板12的翘曲度。

由于电压转换外围电压单元2231采用的LTM4664和电压转换核心电压单元2232采用的VTM48EF012T130C01的尺寸限制，其长度分别为32.5mm和16mm，宽度分别为22mm和16mm，都大于一个晶圆处理器Die的12mm边长，无法实现一个供电结构件22对一个晶圆处理器Die进行供电，故采用小范围划片供电，即每4个晶圆处理器Die为一组，由一个供电结构件22统一供电。

所述电源分配组件1包括防翘曲金属固定盖板11、PCB横板12和弹性连接器13。

防翘曲金属固定盖板11为平整的10mm厚度的铜板或钢板，大小尺寸与PCB横板12一致，并与之通过大量连接件比如螺帽和沉头螺钉紧密贴合，防翘曲金属固定盖板11上均布设置有与所述供电结构件22对应的通孔111，所述通孔111内设置有所述弹性连接器13，在通孔111的孔壁使用油漆做绝缘处理。

PCB横板12厚度为3mm，尺寸与硅基板相同。顶层表面无任何电路连线或焊盘等导电区域，与防翘曲金属固定盖板11紧密贴合，底部与晶圆基板连接，内部电源层和地层采用2盎司厚铜箔进行低电压大电流的电源分配。因为需要滤除高频电源噪声，并减小传输损耗，电源层和与之对应的平面之间采用埋容技术，即电源与地平面之间采用介电常数为16的3M的C-ply材料填充，层间厚度为0.56mil，进而实现大约6.42nF/in2的等效去耦电容，滤除晶圆处理器的高频电源噪声。

弹性连接器13为电源传输连接器插头31内部的传输电源及信号的插针，为毛纽扣、弹性针或微弹簧等弹性连接器。

图3为插卡式供电组件2阵列俯视图，晶圆处理器贴装区域4贴装晶圆处理器Die，其中包括机械导轨211和卡口212，机械导轨211负责固定供电结构件22水平方向的位置，卡扣212负责固定供电结构件22垂直方向的位置。

经计算，电压转换核心电压单元2232采用的VTM48EF012T130C01水平方向的功率密度约为0.18W/mm²，电压转换外围电压单元2231采用的LTM4664水平方向的功率密度约为0.21W/mm²，考虑电压转换模块223需要外围电路及若干储能电容225的配合，每个电压转换模块223的平均水平功率密度大约都在0.18W/mm²以下，而每个供电结构件22对4个晶圆处理器Die的进行供电，总电流为电压转换核心电压单元2232的核心电压的电流128A加上电压转换外围电压单元2231的外围电压的电流48A共176A，四个晶圆处理器Die的面积约为24.1*24.1mm²，因此供电结构件22水平方向的平均电流密度约为0.3W/mm²，是实施此专利前每个电压转换模块223平均功率密度的1.67倍以上，满足市场主流晶圆级处理器系统的供电需求。

拆卸维护更换插卡供电结构件22步骤：晶圆级处理器的高密度供电装置工作过程中，当电源监控器监控到某个电压转换模块223的电压、电流或温度工作异常时，①通过硅基板通知对应的晶圆处理器Die将数据保存，将任务转移到其他晶圆处理器Die中运行； ②将此供电结构件22的供电输入断电，其他晶圆处理器Die及电源保持正常工作状态； ③将此供电结构件22拔出等待技术人员的测试和维修，然后使用另一块正常的供电结构件22进行替换； ④供电结构件22上电，监测其电压、电流、温度是否恢复正常，若依然不正常，则可以判断是对应区域的4个晶圆处理器Die故障而无法继续使用，将此供电结构件22断电取出，节省电能。如上所述，在某一块电压转换模块223出现异常的情况下，可以迅速对供电结构件22进行更换，更换时可以保持系统的其他晶圆处理器Die及电源依然正常工作，最小化某一个区域故障维修时对整个系统造成的影响。

见图3，除了本实施例外，可以使用液冷系统替换风冷系统，增加电源系统的散热能力，如图3中水冷散热区域5，区域宽度约为13mm，每一排供电结构件22与相邻一排供电结构件22之间的空隙形成一条液冷通道，导冷液从每排的一侧输入，另一侧输出，通过控制导冷液的流速控制散热效率。

综上所述，本发明通过插卡式供电组件和电源分配组件的组合，大幅度提升供电装置水平方向的电流/功率密度和可维护性，从而为晶圆级处理器的供电提供一体化解决方案。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，其特征在于，包括电源分配组件（1）和设置于所述电源分配组件（1）上的插卡式供电组件（2），所述插卡式供电组件（2）包括插卡式结构件（21）和供电结构件（22），所述电源分配组件（1）的上表面均布设置所述插卡式结构件（21），所述插卡式结构件（21）内插设有所述供电结构件（22），所述供电结构件（22）的底端通过电源传输连接件（3）连接所述电源分配组件（1）；

所述供电结构件（22）包括PCB纵板（221）、连接器（222）、电压转换模块（223）、电感（224）和电容（225），所述PCB纵板（221）插设于所述插卡式结构件（21）内，所述PCB纵板（221）的一侧面自上而下依次设置有所述连接器（222）、所述电压转换模块（223）、所述电感（224）和所述电容（225），所述连接器（222）和所述电压转换模块（223）焊接于所述PCB纵板（221）上，所述电感（224）和所述电容（225）电连接；

所述电源分配组件（1）包括防翘曲金属固定盖板（11）、PCB横板（12）和弹性连接器（13），所述PCB横板（12）上通过连接件连接所述防翘曲金属固定盖板（11），所述防翘曲金属固定盖板（11）上均布设置有与所述供电结构件（22）对应的通孔（111），所述通孔（111）内设置有所述弹性连接器（13），所述弹性连接器（13）的底端连接所述PCB横板（12），所述弹性连接器（13）的顶端连接所述电源传输连接件（3）；

所述电源传输连接件（3）包括电源传输连接器插头（31）和电源传输连接器插座（32），所述电源传输连接器插头（31）与所述供电结构件（22）的底端连接，所述电源传输连接器插座（32）通过连接件固定于所述电源分配组件（1）的上表面，所述电源传输连接器插头（31）和所述电源传输连接器插座（32）契合连接。

2.如权利要求1所述的一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，其特征在于，所述电压转换模块（223）远离所述PCB纵板（221）的侧面纵向均布设置有散热片（226），所述散热片（226）通过导热硅脂与所述电压转换模块（223）贴合连接。

3.如权利要求1所述的一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，其特征在于，所述电感（224）和所述电容（225）均采用高频高能量密度软磁与介电材料，用于所述电压转换模块（223）的储能。

4.如权利要求1所述的一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，其特征在于，所述电压转换模块（223）包括电压转换外围电压单元（2231）和电压转换核心电压单元（2232），所述电压转换外围电压单元（2231）设置于所述电压转换核心电压单元（2232）的上方，所述电压转换外围电压单元（2231）用于晶圆级处理器与外部进行数据通信，所述电压转换核心电压单元（2232）用于晶圆级处理器的计算和处理。

5.如权利要求1所述的一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，其特征在于，所述弹性连接器（13）为毛纽扣、弹性针或微弹簧。

6.如权利要求1所述的一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，其特征在于，所述插卡式结构件（21）包括机械导轨（211）和卡口（212），所述电源分配组件（1）的上表面均布连接所述机械导轨（211），所述机械导轨（211）的顶端连接所述卡口（212）。

7.如权利要求1所述的一种针对晶圆级处理器的高密度供电装置，其特征在于，所述插卡式结构件（21）在所述电源分配组件（1）上呈阵列化排列。