3D堆疊芯片以及3D堆疊芯片散熱系統技術方案

本發明專利技術公開了一種3D堆疊芯片以及3D堆疊芯片散熱系統，包括分布有高單位面積功率電路的電路層和連接于電路層上方的加固層，3D堆疊芯片還包括密集排布的貫穿3D堆疊芯片的微米級的用于供冷卻液通過的微水通道，微水通道包括由下至上貫穿電路層的第一微通道以及貫穿加固層的第二微通道，第一微通道與第二微通道相連通；散熱系統包括3D堆疊芯片和與3D堆疊芯片連通的散熱裝置，散熱裝置以及3D堆疊芯片的微水通道內填充有冷卻液，散熱裝置驅動冷卻液進行強制循環，以帶走3D堆疊芯片所產生的熱量；本發明專利技術通過設置密集排布的由下至上貫穿3D堆疊芯片的微米級的微水通道，使得冷卻液距離熱源足夠近，芯片各部分溫度分布均勻，使得散熱效果好。熱效果好。熱效果好。

【技術實現步驟摘要】
3D堆疊芯片以及3D堆疊芯片散熱系統


[0001]本專利技術屬于芯片
，尤其涉及一種3D堆疊芯片以及3D堆疊芯片散熱系統。

技術介紹

[0002]芯片微水道散熱方案的一種現有技術最早在1981年由D.B.Tuckerman等人提出，在這種技術的應用中，目前最好的性能記錄是Zhang等人在2022年實現，其可在60℃溫差下達到1200W/cm2的高密度熱流。其結構具體為：微水道分布在晶體管所在位置下方的載體基底上，平行于晶體管和電路所在平面，橫向貫穿芯片。但這種結構存在以下問題：微水道的長度為芯片寬度，對于尺寸大小在厘米量級的芯片，冷卻液在微水道中流動時持續升溫，使得冷卻液沿水道延伸方向溫度分布不均勻，無法為微水道后段提供良好的散熱，進一步導致微水通道通過擴大直徑去增加散熱效果，導致微水道直徑至少在百微米量級才能達到一定的散熱效果；除此之外，芯片的發熱主要由電路底部的晶體管產生，這種結構的微水道布置在電路下方，冷卻液離熱源的距離在百微米量級，難以進一步接近熱源。
[0003]另一種現有技術由T.Wei等人提出，其結構具體為：一個扁平的腔體(impingement cavity)布置在芯片上方，有多個入水口和出水口均勻分布在腔體上方，由于冷卻液可以從芯片上方的不同位置進入腔體，并從附近的出水口流出，解決了溫度分布不均勻的問題，并在1000ml/min的流量條件下達到了6.7W/(cm2
·
K)的每開爾文散熱功率密度。但冷卻液在腔體內的流動時，因腔體內被加熱而未及時排出的高溫廢液和新冷卻液會產生匯集，導致混合在一起，進而導致腔體的溫度提升，使其溫度明顯高于剛輸入的冷卻液；并且冷卻液離熱源的距離較遠，難以進一步接近熱源。
[0004]并且，以上技術都只適合為單層電路散熱，而并適用于近十年興起的3D堆疊芯片的散熱，3D堆疊芯片由多層集成電路堆疊而成，電路之間由硅通孔進行通信，3D堆疊芯片的電路的面功率密度是每層電路功率密度的疊加，現有的CPU核心的功率密度約為100W/cm2，堆疊后可以達到1000W/cm2的量級。上述現有散熱技術應用于3D堆疊芯片都存在以下問題：由于離微水道較遠電路層的散熱需要指向微水道的負溫度梯度，但由于離微水道較近電路層的發熱，這個負溫度梯度集中在離微水道最近的一層電路與微水道之間，使得只有離微水道最近的一層電路能得到較大的散熱功率，而離微水道較遠的電路層難以得到散熱，導致各電路層散熱不均，進而導致散熱能力受到限制。
[0005]因此，基于上述因素考慮，如何減小3D堆疊芯片各處溫度的不均勻性，如何使冷卻液充分接近熱源，如何讓高溫廢液不回流而污染低溫冷卻液，以此提升3D堆疊芯片的散熱功率密度，是亟待解決的問題。

技術實現思路

[0006]本專利技術要解決的技術問題在于，針對以上缺陷，提供一種3D堆疊芯片以及3D堆疊芯片散熱系統。
[0007]本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：一種3D堆疊芯片，包括分布有高單
位面積功率電路的電路層和連接于所述電路層上方的加固層，所述3D堆疊芯片還包括密集排布的貫穿所述3D堆疊芯片的微米級的用于供冷卻液通過的微水通道，所述微水通道包括由下至上貫穿所述電路層的第一微通道以及貫穿所述加固層的第二微通道，所述第一微通道與所述第二微通道相連通。
[0008]進一步地，優選所述微水通道的分布密度的數量級處于每平方毫米為103到105個。
[0009]進一步地，優選所述微水通道在所述電路層中功率密度較大處的分布密度比功率密度較小處的分布密度更密集。
[0010]進一步地，優選所述加固層包括基底，所述基底上開設有微米級通孔，所述微米級通孔形成所述第二微通道，所述第二微通道的直徑大于所述第一微通道的直徑，且為所述第一微通道的直徑的3～10倍。
[0011]進一步地，優選單個所述第一微通道與單個所述第二微通道一一對應設置，或者多個所述第一微通道與單個所述第二微通道對應設置。
[0012]進一步地，優選所述第一微通道與所述第二微通道錯開設置，所述加固層底部開設有橫向延伸的第一微槽，所述第一微槽將所述第一微通道與所述第二微通道連通。
[0013]進一步地，優選相鄰兩個所述第一微通道之間的間距為0.5μm～100μm。
[0014]進一步地，優選所述第一微通道的直徑為1μm～10μm，長度為10μm～500μm；所述第二微通道的直徑為5μm～50μm，長度為1～5mm。
[0015]進一步，優選相鄰兩層所述電路層之間設置有基底硅片，相鄰所述電路層的第一微通道相互錯開設置，所述基底硅片內開設有橫向延伸的第二微槽，所述第二微槽將相鄰兩層的所述電路層的所述第一微通道相連通。
[0016]進一步地，優選所述微水通道通過等離子刻蝕法在所述3D堆疊芯片上刻蝕形成，并通過化學氣相沉積方法在所述微水通道內壁面上形成絕緣層。
[0017]本專利技術還提供一種3D堆疊芯片散熱系統，包括所述的3D堆疊芯片和與所述3D堆疊芯片連通的散熱單元，所述散熱單元以及所述3D堆疊芯片的微水通道內填充有冷卻液；
[0018]所述散熱單元包括入水管道、出水管道、設置于兩者之間的循環水泵以及冷卻裝置，所述入水管道與所述微水通道輸入端對應連通，所述冷卻裝置的輸出端與所述入水管道相連通，所述冷卻裝置的輸入端與所述出水管道相連通，所述出水管道與所述微水通道輸出端對應連通，所述循環水泵用于驅動冷卻液進行強制循環，以帶走所述3D堆疊芯片所產生的熱量。
[0019]本專利技術的有益效果：本專利技術提供的3D堆疊芯片，通過設置密集排布的由下至上貫穿3D堆疊芯片的微米級的用于供冷卻液通過的微水通道，使得冷卻液距離熱源的距離足夠近，熱源各處都能得到很直接的散熱；由于微水通道由下至上貫穿3D堆疊芯片，使得微水通道的有效長度即第一微通道長度非常短，且冷卻液充分接近各層電路層，使得即使冷卻液沿流動方向存在很大的溫度梯度，但冷卻液在第一微通道出口處與入口處溫差不大，避免了冷卻液在微水通道接近出口處溫度過高、導致微水通道接近出口處附近熱源散熱困難的情況，使得芯片各位置溫度更為平均。本專利技術提供的3D堆疊芯片散熱系統，循環水泵驅動冷卻液進行強制循環，帶走3D堆疊芯片所產生的熱量；3D堆疊芯片可獲得更大的散熱功率密度，或者在一定功率密度下達到更小的溫差；這能夠降低個人電腦、企業機房、數據中心和超算的散熱成本，有利于能源節省和環保；解決了高功率密度的多層3D堆疊芯片的散熱問
題，實現將大量晶體管集成到很小的面積上的設計，以此降低電路各部分之間的通信開銷。
附圖說明
[0020]下面將結合附圖及實施例對本專利技術作進一步說明，附圖中：
[0021]圖1是本專利技術一些實施例的3D堆疊芯片的立體結構局部示意圖；
[0022]圖2是本專利技術一些實施例的3D堆疊芯片的另一立體結構局部示意圖；
[0023]圖3是本專利技術一些實施例的3D堆疊芯片的局部俯視圖；
[0024]圖4是本專利技術一些實施例的3D堆疊芯片的立本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種3D堆疊芯片，其特征在于，包括多層分布有高單位面積功率電路的電路層(1)和連接于所述電路層(1)上方的加固層(2)，所述3D堆疊芯片還包括密集排布的貫穿所述3D堆疊芯片的微米級的用于供冷卻液通過的微水通道(3)，所述微水通道(3)包括由下至上貫穿所述電路層(1)的第一微通道(31)以及貫穿所述加固層(2)的第二微通道(32)，所述第一微通道(31)與所述第二微通道(32)相連通。2.根據權利要求1所述的3D堆疊芯片，其特征在于，所述微水通道(3)的分布密度的數量級處于每平方毫米為103到105個。3.根據權利要求1所述的3D堆疊芯片，其特征在于，所述微水通道(3)在所述電路層(1)中功率密度較大處的分布密度比功率密度較小處的分布密度更密集。4.根據權利要求1所述的3D堆疊芯片，其特征在于，所述加固層(2)包括基底(21)，所述基底(21)上開設有微米級通孔，所述微米級通孔形成所述第二微通道(32)，所述第二微通道(32)的直徑大于所述第一微通道(31)的直徑，且為所述第一微通道(31)的直徑的3～10倍。5.根據權利要求1所述的3D堆疊芯片，其特征在于，單個所述第一微通道(31)與單個所述第二微通道(32)一一對應設置，或者多個所述第一微通道(31)與單個所述第二微通道(32)對應設置。6.根據權利要求1所述的3D堆疊芯片，其特征在于，所述第一微通道(31)與所述第二微通道(32)錯開設置，所述加固層(2)底部開設有橫向延伸的第一微槽，所述第一微槽將所述第一微通道(31)與所述第二微通道(32)連通。7...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔡艾米，敖立鴻，
申請(專利權)人：深圳大學，
類型：發明
國別省市：