论文部分内容阅读
集成电路技术在市场需求的不断推动下，近年来得到了较快地发展，在相关的电子材料和电路结构等多方面获得了很多的革新与应用。目前，在集成电路设计中三维集成已受到了人们的广泛关注，其中的关键技术有硅通孔(ThroughSilicon Via，TSV)、石墨烯材料等。同时，随着电路集成度的不断提高，电路的热效应已成为了衡量电路性能的一个重要方面。为提高电路的可靠性和性能，进行有效的热管理是十分必要的。本文将在电路的热效应分析、等效热阻、考虑温度的三维芯片布图规划等方面进行了深入研究。 首先，本文对热分析的理论与方法进行了介绍，对其中的稳态传热与瞬态传热、三维集成电路(3DIC)的常规热分析方法等进行了说明。 其次，基于热力学理论，本文对单层单根TSV的电路芯片模型进行了研究，对热流自上而下和自下而上这两种情况的热传导过程进行了分析。在分析过程中考虑芯片内部的横向热阻，提出了一种含TSV的热阻模型，并说明了热阻的值大小与热流的方向的关系。特别考虑了该热阻模型的上下面都为等温面时的情况，通过对此时的热阻进行分析，说明了这种情况对电路的热效应可能带来的好处，以及对电路热设计过程的影响。此外，本文使用有限元方法对所获得的热阻模型进行了计算与仿真，对TSV的尺寸、密度、数量、以及不同层面的热量分布与电路的峰值温度的关系等进行了分析。 第三，针对三维集成电路热效应的降低即减热，本文对在电路芯片的层与层之间添加石墨烯导热层的方法进行了研究，以改善层与层之间的热互联并降低芯片的峰值温度。同时研究了硅层和粘合层二个层段中的TSV的减热作用，得出粘合层段中的TSV对整体减热起主要作用，进而改进了TSV中的材料，使用碳纳米管作为处于粘合层中的TSV段填充材料，并进一步的对改进后的TSV的减热能力进行了研究仿真。仿真结果说明，减热效果得到显著提升。 第四，针对过多的TSV数量会影响芯片的成本，对基于模拟退火算法的考虑TSV的对温度敏感的三维芯片布图规划方法进行了研究，给出了具体的实现过程与步骤。该方法可协同优化TSV的数目和芯片的峰值温度。实验结果表明该方法可以获得较优的TSV数目，并且可以有效的降低电路的峰值温度。