[发明专利]3D堆叠芯片以及3D堆叠芯片散热系统

说明书

本发明公开了一种3D堆叠芯片以及3D堆叠芯片散热系统，包括分布有高单位面积功率电路的电路层和连接于电路层上方的加固层，3D堆叠芯片还包括密集排布的贯穿3D堆叠芯片的微米级的用于供冷却液通过的微水通道，微水通道包括由下至上贯穿电路层的第一微通道以及贯穿加固层的第二微通道，第一微通道与第二微通道相连通；散热系统包括3D堆叠芯片和与3D堆叠芯片连通的散热装置，散热装置以及3D堆叠芯片的微水通道内填充有冷却液，散热装置驱动冷却液进行强制循环，以带走3D堆叠芯片所产生的热量；本发明通过设置密集排布的由下至上贯穿3D堆叠芯片的微米级的微水通道，使得冷却液距离热源足够近，芯片各部分温度分布均匀，使得散热效果好。

技术领域

本发明属于芯片技术领域，尤其涉及一种3D堆叠芯片以及3D堆叠芯片散热系统。

背景技术

芯片微水道散热方案的一种现有技术最早在1981年由D.B.Tuckerman等人提出，在这种技术的应用中，目前最好的性能记录是Zhang等人在2022年实现，其可在60℃温差下达到1200W/cm2的高密度热流。其结构具体为：微水道分布在晶体管所在位置下方的载体基底上，平行于晶体管和电路所在平面，横向贯穿芯片。但这种结构存在以下问题：微水道的长度为芯片宽度，对于尺寸大小在厘米量级的芯片，冷却液在微水道中流动时持续升温，使得冷却液沿水道延伸方向温度分布不均匀，无法为微水道后段提供良好的散热，进一步导致微水通道通过扩大直径去增加散热效果，导致微水道直径至少在百微米量级才能达到一定的散热效果；除此之外，芯片的发热主要由电路底部的晶体管产生，这种结构的微水道布置在电路下方，冷却液离热源的距离在百微米量级，难以进一步接近热源。

另一种现有技术由T.Wei等人提出，其结构具体为：一个扁平的腔体(impingementcavity)布置在芯片上方，有多个入水口和出水口均匀分布在腔体上方，由于冷却液可以从芯片上方的不同位置进入腔体，并从附近的出水口流出，解决了温度分布不均匀的问题，并在1000ml/min的流量条件下达到了6.7W/(cm2·K)的每开尔文散热功率密度。但冷却液在腔体内的流动时，因腔体内被加热而未及时排出的高温废液和新冷却液会产生汇集，导致混合在一起，进而导致腔体的温度提升，使其温度明显高于刚输入的冷却液；并且冷却液离热源的距离较远，难以进一步接近热源。

并且，以上技术都只适合为单层电路散热，而并适用于近十年兴起的3D堆叠芯片的散热，3D堆叠芯片由多层集成电路堆叠而成，电路之间由硅通孔进行通信，3D堆叠芯片的电路的面功率密度是每层电路功率密度的叠加，现有的CPU核心的功率密度约为100W/cm2，堆叠后可以达到1000W/cm2的量级。上述现有散热技术应用于3D堆叠芯片都存在以下问题：由于离微水道较远电路层的散热需要指向微水道的负温度梯度，但由于离微水道较近电路层的发热，这个负温度梯度集中在离微水道最近的一层电路与微水道之间，使得只有离微水道最近的一层电路能得到较大的散热功率，而离微水道较远的电路层难以得到散热，导致各电路层散热不均，进而导致散热能力受到限制。

因此，基于上述因素考虑，如何减小3D堆叠芯片各处温度的不均匀性，如何使冷却液充分接近热源，如何让高温废液不回流而污染低温冷却液，以此提升3D堆叠芯片的散热功率密度，是亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对以上缺陷，提供一种3D堆叠芯片以及3D堆叠芯片散热系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种3D堆叠芯片，包括分布有高单位面积功率电路的电路层和连接于所述电路层上方的加固层，所述3D堆叠芯片还包括密集排布的贯穿所述3D堆叠芯片的微米级的用于供冷却液通过的微水通道，所述微水通道包括由下至上贯穿所述电路层的第一微通道以及贯穿所述加固层的第二微通道，所述第一微通道与所述第二微通道相连通。

进一步地，优选所述微水通道的分布密度的数量级处于每平方毫米为10³到10⁵个。