[发明专利]一种基于复杂功率分配的集成微流道的优化方法

说明书

本发明提供的一种基于复杂功率分配的集成微流道的优化方法，通过对三维集成微流道划分网格，构建单个网格计算单元的等效热导率的数学模型，基于层内功率分布和微流道几何参数的协同优化，计算有效降低层内峰值温度和微流道体积占比的最优几何参数，以优化微流道尺寸得到准确的微流道尺寸。本发明可以解决已有的三维集成电路层内功率分布复杂导致的峰值温过高和传统微流道过大的体积占比的问题，提高微流道优化的适用性。

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种基于复杂功率分配的集成微流道的优化方法。

背景技术

三维集成电路通过TSV(Thermal Silicon Via，硅通孔)将多片芯片在垂直方向堆叠互连，从而减少互连延迟和功耗。TSV与传统集成电路相比，能实现层间垂直互连通信，有效地缩短互连线长度。

伴随着芯片体积越来越小，芯片功耗密度显著增加。芯片受外加导热性差的后端线(Back End of Line，简称BEOL)和键合层(Bonding Layer)的影响，使得层间传热受阻，层内热量更容易聚集；此外由于芯片功率分布不均匀，导致芯片层内峰值温度过高。而现有技术中使用空气冷却的方式对芯片实现散热，该种散热方式已经难满足三维集成芯片的散热要求。微通道流体散热器是刻蚀在三维集成芯片层内的微型通道，利用冷却液的流动带走三维集成芯片内的热量以达到主动散热的效果。因此对于微通道流体的主动散热器在三维集成电路的热传导的研究至关重要。

在传统研究中，包括关于集成微流道深宽比、微流道间距的优化和复杂微流道的设计以提高微流道的散热能力。这些研究主要是基于集成微流道的物理模型，构建层内热阻网络分析微流道的散热特性。然而在实际中，三维集成芯片层内功率分布是不均匀的，虽然上述方案提出的矩形微通道可以降低层内热点区域的峰值温度，但是对于低功率分布区域，这是一种空间浪费，此外，传统微流道较大的体积占比会给TSV的设计带来局限性。

专利文献“一种考虑制造约束的阵列微流道换热器性能优化方法”(申请号202011373694.5，申请公布号CN 112487681 A)公开了一种考虑制造约束的阵列微流道换热器性能优化方法。该方法采用多参数多目标换热器性能优化仿真方法，通过对微流道换热器的性能优化仿真，将性能优化后的优化值导入制造工艺仿真模型中，考虑了试验成本，生产成本和时间成本，缩短了研发周期。该方法在可用于大尺度的微流道换热器性能优化。但是该方法仍然存在的不足之处是，由于该方法是在仿真软件中进行建模和仿真计算，导致对微流道性能优化耗时较长。

专利文献“一种微流道散热器及其细观尺度拓扑优化设计方法”(申请号202110301573，申请公布号CN 113094944 A)中公开了一种微流道散热器及其细观尺度拓扑优化设计方法。该方法包括：首先选取微流道散热器局部细观单元作为设计对象，进而对细观单元进行有限元网格划分，接着基于网格细观单元的设计域中的有限元网格，通过参数化水平集拓扑优化方法得到细观尺度下的微流道拓扑结构，将细观尺度下的微流道拓扑结构进行阵列以得到微流道散热器。该方法通过对细观单元的拓扑优化，避免了宏观设计时增加计算量，节省了计算开销。但是，该方法仍然存在的不足之处在于根据细观尺度的微流道拓扑优化，而在实际中芯片的功率分布对其具有重大影响，因此该方法针对复杂功率分配的微流道，并不能得到最优的微流道尺度，导致微流道优化的适用性存在局限性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于复杂功率分配的集成微流道的优化方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供的一种基于复杂功率分配的集成微流道的优化方法包括：

步骤1：获取三维集成芯片的物理模型；

其中，所述物理模多个硅基层在垂直方向堆叠组成，在每个硅基层内刻蚀有多个微流道，两个硅基层之间自上而下存在一个器件层以及互连层；