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| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 背面电源传输网络 热挑战 散热解决方案 集成建模框架 热设计指南 |
语言:
中文摘要
背面电源传输网络（BSPDN）被视为下一代芯片设计的变革性技术。然而，与传统的正面电源传输网络（FSPDN）相比，它带来了重大的热挑战。对CPU热点区域的建模分析表明，BSPDN导致的温度比FSPDN大约高45%。为应对这些热挑战，我们系统地探索了传导和对流冷却解决方案。这些方案包括使用热导率在[0.2至1000 W/（m·K）]范围内的先进键合界面、采用各种后端线路（BEOL）层配置（堆叠、交错和隔离）、使用先进的BEOL金属材料（如铜、钌和钴互连），以及在背面金属（BSM）区域嵌入微通道冷却结构，以有效地将热量散发到底层基板。微通道设计的灵感来源于气隙 - BEOL结构与前沿的三维歧管微通道冷却器之间的几何相似性。为应对BSPDN系统内多尺度（范围从20纳米到100微米）和多物理场（热学和流体动力学）模拟带来的建模挑战，我们采用了由IMEC提出的集成建模框架。该框架作为一种研究工具，支持我们深入探索和分析热解决方案。为研究有效的BEOL特性，使用一个1×1平方微米的小规模模型来提取八层Mint - M8 BEOL的等效热导率，然后将其应用于不同BEOL互连配置下的热分析。采用一个包含Mint - M3的0.12×0.12平方微米的模型进行材料矩阵研究。对于热点分析，使用一个更大的10×25平方微米的模型来生成温度分布图，并对各种热扩散材料和嵌入式微通道冷却参数进行研究。这些提出的解决方案有望显著提高BSPDN的热性能。最终，本文旨在为BSPDN架构提供一套全面的热设计指南，提升先进技术节点下芯片的功率、性能和面积（PPA）指标。
English Abstract
The backside power delivery network (BSPDN) is seen as a transformative technology for the next generation of chip designs. However, it introduces significant thermal challenges compared to the conventional frontside power delivery network (FSPDN). Modeling analysis of CPU hotspot areas indicates that BSPDN results in temperatures approximately 45% higher than FSPDN. To address these thermal challenges, we have systematically explored both conduction and convection cooling solutions. These include the use of advanced bonding interfaces with thermal conductivity [ranging from 0.2 to 1000 W/(m K)], various back end of line (BEOL) layer configurations (stacked, staggered, and isolated), advanced BEOL metal materials (such as Cu, Ru, and Co interconnects), and embedded microchannel cooling within the backside metal (BSM) region to effectively dissipate heat toward the bottom substrate. The microchannel design is inspired by the geometric similarities between the airgap-BEOL structure and cutting-edge 3-D manifold microchannel coolers. To address the modeling challenges posed by the multiscale (ranging from 20 nm to 100~ m) and multiphysics (thermal and fluid dynamics) simulations within the BSPDN system, we have adopted an integrated modeling framework proposed by IMEC. This framework serves as a research tool to support our in-depth thermal solution exploration and analysis. For studying the effective BEOL properties, a small-scale model of 1 1~^2 is used to extract the equivalent thermal conductivity of an eight-layer Mint-M8 BEOL, which is then applied for thermal analysis under different BEOL interconnect configurations. A 0.12 0.12~^2 model containing Mint-M3 is employed for material matrix studies. For hotspot analysis, a larger 10 25~^2 model is used to generate temperature distribution maps with various heat-spreading materials and embedded microchannel cooling parameter investigations. These proposed solutions are expected to significantly enhance the thermal performance of BSPDN. Ultimately, this article aims to provide a comprehensive set of thermal design guidelines for the BSPDN architecture, advancing chip power, performance, and area (PPA) in advanced technology nodes.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于背面供电网络（BSPDN）热管理技术的研究具有重要的借鉴意义。虽然该研究聚焦于CPU芯片设计，但其多尺度热管理方法论与我们在功率电子领域面临的散热挑战高度相关。
在光伏逆变器和储能变流器等核心产品中，IGBT、SiC/GaN等功率半导体器件的热管理一直是制约功率密度提升和可靠性的关键瓶颈。论文提出的多物理场耦合建模框架（涵盖20纳米至100微米尺度）为我们优化功率模块的散热设计提供了新思路。特别是其采用的微通道冷却技术与我们液冷储能系统的热管理理念不谋而合，通过在基板层嵌入微通道实现高效导热，这种方案可直接应用于高功率密度逆变器的双面冷却设计中。
论文系统研究的先进互连材料（Cu、Ru、Co）及其热导率优化，对我们提升功率模块封装性能具有参考价值。研究显示BSPDN架构导致温度上升45%的问题，与我们在双面冷却功率模块中观察到的局部热点现象类似。其提出的分层散热策略——从界面材料优化（0.2-1000 W/m·K热导率范围）到结构拓扑设计（堆叠、交错、隔离配置），可为我们开发下一代高功率密度逆变器（目标＞300kW/m³）提供设计指导。
技术应用方面，建议重点关注：一是将微通道冷却技术引入SiC模块基板设计，提升单模块耐流能力；二是借鉴多尺度建模方法优化DBC陶瓷基板的热传导路径。主要挑战在于制造工艺的成本控制和长期可靠性验证，但该技术方向与我们追求的高效率、高集成度战略目标完全契合，值得在预研项目中深入探索。