山东大学辛公明IJTS：基于回路热管的三维集成电路（3D-IC）新型热管理

论文信息：

Dongfang Zhou , Yan Chen , Wei Gao , Gongming Xin. A novel thermal management scheme of 3D-IC based on loop heat pipe. International Journal of Thermal Sciences, 108906, (2024).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2024.108906

PART1

研究背景

随着半导体技术的飞速发展，微电子器件正朝着小型化、高集成度和高互联密度的方向演进。三维集成电路（3D-IC）技术通过垂直堆叠多个芯片，并使用硅通孔（TSV）进行层间互连，有效缩短了互联长度，降低了功耗，提升了系统性能。然而，3D-IC的高集成度也带来了严峻的热管理挑战。由于芯片层数增加，热流密度可能超过100 W/cm²，而中间层和底层芯片远离散热装置，热量难以有效导出，导致局部高温、温度分布不均，甚至形成热点，严重影响芯片的可靠性和寿命。传统的散热方式如风冷、背板换热器或热电冷却器在处理3D-IC内部热量时效果有限。微通道冷却技术虽被广泛研究，但仍面临泵功消耗大、运行不稳定等问题。环路热管（LHP）作为一种自驱动的相变传热装置，具有长距离传热和抗重力运行能力，尤其适合集成在硅基芯片中，成为解决3D-IC散热问题的潜在方案。然而，传统的多孔硅芯结构提供的毛细力有限，难以满足当前芯片小型化与平面化的高流量需求。因此，开发新型芯结构和优化热管理方案成为研究重点。

PART2

研究内容

本研究提出了一种名为SLHP（Silicon-based Loop Heat Pipe）的新型3D-IC热管理方案，采用微柱阵列芯结构，通过可视化实验系统研究了其在不同热流条件下的流体行为与传热性能，并探讨了热点位置和复合芯结构对SLHP性能的影响。首先是SLHP的结构设计与制造，3D-IC通常为多层堆叠结构，如图1所示，外部输入输出端通过底部的可控塌陷芯片连接（C4）凸点接入，层间信号通过TSV传输，仅顶层可布置散热器。SLHP的核心任务是将中间层或底层的热量传输至顶层，通过顶层散热器散发，工作流体需通过TTSV在层间传输。SLHP主要由蒸发器、蒸汽管、冷凝器、液体管和补偿室五部分组成。结合3D-IC和LHP的结构特点，SLHP的蒸发器需内置在中间层或底层，冷凝器在顶层，TTSV作为液体管或蒸汽管的一部分。SLHP的二维结构设计如图2(a)所示，总面积为23 mm×16 mm，包含液体微通道和蒸汽微通道以实现工质均匀流动。设计了24个宽度为100 μm、深度为75 μm的层间微通道，模拟TTSV的流体传输功能。图2(b)所示为两种芯结构，分别为单一尺寸微柱芯（边长与间距均为25 μm）和复合芯（前部25 μm，后部15 μm微柱阵列）。

图1. 具有三层堆叠结构的键合三维集成电路（3D-IC）示意图

图2.硅基回路热管（SLHP）的设计示意图；(a) SLHP的结构及电阻加热器与热电偶的位置；(b)单尺寸吸液芯与复合吸液芯；

SLHP的主要制造流程如图3所示，首先在300 μm厚的抛光硅片表面均匀涂覆光刻胶；通过光刻工艺在硅片表面建立预定结构图案；采用反应离子刻蚀（RIE）工艺刻蚀75 μm深度，制作出微柱阵列和微通道结构；经过脱胶和清洗后，将300 μm厚的玻璃层键合到硅片表面；随后在硅片表面生长SiO2层进行电钝化；通过光刻和磁控溅射沉积Cr和Pt层制作电阻加热器；最后经脱胶、清洗和切割工艺，得到SLHP成品。

图3. 硅基回路热管（SLHP）的主要制造流程

然后本文研究设计了实验系统并进行可视化观测，如图4所示。该实验系统有三个主要部分，分别为液体填充系统、冷却装置和可视化观测平台。SLHP被固定在PCB板上，通过倒置显微镜和高速摄像机实时记录流体流动行为。冷却系统采用恒温水浴提供5 ℃的冷却水，确保冷凝器有效工作。液体填充采用沸腾脱气法，确保工质（乙醇）填充率达到80%，避免了非凝结气体对系统性能的影响。

图4. 实验系统；(a) 注液系统；(b) 冷却装置；(c) 实验系统示意图

其次本文研究根据实验结果分析了SLHP的运行性能与流体行为。SLHP_S在不同热点加热下的温度响应曲线如图5所示，可以看出，SLHP对热负荷变化响应迅速，能在热流突变后快速达到新的稳定状态。蒸发器温度（T2）和蒸汽出口温度（T3）显著上升，而冷凝器温度（T5、T6）上升较缓，表明SLHP具有良好的热适应性和传热能力。工作流体在SLHP内完成“液体-蒸汽-液体”的循环相变过程。以加热热点B为例，随着输入热通量从50.0 W/cm2升高至68.75 W/cm2，观察到两种蒸汽生成和汽腔扩展模式，如图6(a)和(b)所示，模式1中，蒸汽先出现在蒸汽微通道与蒸汽管交界处，蒸汽微通道内形成汽液界面，随热通量增加界面退入微柱阵列；模式2中，蒸汽先在微柱阵列吸液芯内产生，汇聚形成汽腔后排入蒸汽微通道。两种模式的形成与注液后SLHP内的空穴区域分布相关，模式1更有利于SLHP稳定运行，可通过优化蒸汽微通道与吸液芯的相对位置（如缩短蒸汽微通道长度）调整启动模式。图6(c)所示为气液界面在微柱区内的振动过程，液体在振动中不断补充至蒸汽腔，延缓了干涸现象。图6(d)所示为液膜在微柱表面的蒸发过程，液膜逐渐变薄直至消失。图6(e)显示了不同热流下蒸汽腔面积的变化（12.2%→19.6%→75.5%），说明SLHP能根据热负荷调节蒸汽腔大小，增强相变传热。图6(f)-(g)展示了蒸汽在冷凝器中的流动情况，未完全冷凝的蒸汽可能进入补偿腔，影响系统稳定运行。

图5. 不同热点受热时，单尺寸吸液芯硅基回路热管（SLHP_S）在功率上升运行模式下的温度变化；(a) 热点A；(b) 热点B；(c) 热点C

图6. 单尺寸吸液芯硅基回路热管（SLHP_S）内工作流体的流动状态；(a) 一种蒸汽生成模式；(b) 另一种蒸汽生成模式；(c) 汽液界面的振动；(d) 微柱阵列上液膜的蒸发过程；(e) 不同输入热通量（77.5 W/cm2、87.5 W/cm2、97.5 W/cm2）下蒸汽腔的尺寸；(f) 冷凝器内的流体流动状态；(g) 冷凝后残留的气泡

本研究又探究了热点位置对SLHP性能的影响，热点位置决定蒸汽生成的初始区域，进而影响汽腔形状和汽液界面位置。不同热点加热时汽腔形状不同，如图7所示，加热热点A或C时，汽腔呈近似四分之一圆形；加热热点B时，汽腔呈近似半圆形。从温度变化来看（如图8所示），不同热点加热时冷凝器温度（Tnon）差异不大，蒸发器温度（Teva）在热点C加热时最低，热点A加热时最高。热点C加热时，SLHP能承受的最大输入热通量达119 W/cm2，且蒸发器与补偿室的温差（ΔT21）最小（如图9所示），意味着蒸发器向补偿室的热泄漏最小；而热点A加热时，蒸发器与蒸汽管的温差（ΔT24）最大，表明蒸发器向蒸汽管的传热速率最快。综上，热点C的位置设置更有利于液体补给、降低蒸发器温度和减少热泄漏。

图7. 不同热点受热时蒸汽腔的形状

图8. 不同热点对蒸发器温度（Teva）与冷凝器温度（Tnon）的影响

图9. 不同热点对温差ΔT21和温差ΔT24的影响

最后该研究进行了不同吸液芯的性能对比，对比了单一芯（SLHP_S）和复合芯（SLHP_C）在不同热点加热下的有效导热系数（Keff），复合芯结构在小尺寸微柱区提供更强的毛细力，在大尺寸微柱区降低流动阻力，从而显著提升传热性能。SLHP_C在热点C加热时的最高Keff达852.1 W/(m·K)，高于SLHP_S的810.0 W/(m·K)。这表明复合芯结构在提升毛细力和降低流动阻力方面具有显著优势。

图10. 不同吸液芯对硅基回路热管（SLHPs）有效导热系数（Keff）的影响；(a) 热点A；(b) 热点B；(c) 热点C

PART3

总结与展望

综上所述，本研究提出了一种基于回路热管的3D-IC新型热管理方案（SLHP），设计并制造了带有微柱阵列吸液芯的 SLHP，通过可视化实验验证了其用于3D-IC热管理的可行性，探究了热点位置和复合吸液芯对SLHP性能的影响。其主要结论如下，首先是SLHP具有良好的适应性，即使输入热通量突然增加，也能快速达到新的平衡状态并稳定运行。其能够实现长距离传热需求，在热通量超过 100 W/cm2时仍能正常工作，完全适配3D-IC的热管理需求。然后是微柱阵列吸液芯在SLHP中的应用取得成功，不仅提供了强大的毛细力，还保障了充足的传热面积。通过优化蒸汽微通道和吸液芯的相对位置，可控制SLHP启动初期工作流体的蒸发过程，提升系统运行稳定性。其次是合理布置热点位置能有效增强SLHP的性能和流体补给能力。热点C加热时，SLHP的热泄漏最小，蒸发器温度最低，且能承受的最大热通量最高（119 W/cm2），为3D-IC热点布局提供了参考。最后是复合吸液芯显著提升了SLHP的传热能力。蒸发侧的小尺寸微柱提供了更大的毛细力和传热面积，补偿室侧的大尺寸微柱减小了流动阻力，使得SLHP_C的最大有效导热系数达到852.1 W/(m·K)，优于单尺寸吸液芯SLHP（810.0 W/(m·K)）。本研究提出的SLHP方案凭借其紧凑结构、高效传热、自驱动运行等优势，为解决3D-IC热管理难题提供了新的思路，随着技术的不断优化和完善，有望在高端电子设备、数据中心等领域实现广泛应用。

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