基于拓扑结构的相变冷却技术在3D电子封装的中介层集成发散微通道中的应用

《IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology》：TSV Topology-Driven Phase-Change Cooling in Interposer-Integrated Diverging Microchannels for 3D Electronic Packages

　　

摘要：

随着堆叠式异构2.5D/3D集成电路的功率密度不断升高，亟需能够满足高互连密度及封装功能限制的冷却方案。本研究探讨了一种在中介层上应用的发散型微通道流动沸腾结构——其中，通常用作电气互连的硅通孔束同时发挥流体混合作用，从而提升芯片侧的热传递效率，同时保持其电气功能。研究使用R134a作为冷却剂，通过控制入口几何形状，并系统地改变硅通孔束的纵横比（β = 1.5、1.2、0.9）以及间距比（φ = 0.5、1.0、1.5），来进行多相模拟，此时硅通孔的面积占加热通道底部面积的5%。模拟结果表明，硅通孔束的排列方式对流体重分布、蒸汽管理、压力损失以及热点形成有着重要影响。性能最佳的配置相比最差的配置，可使壁面过热程度降低约41%，热传递系数提高约70%，并且完全消除高温区域（超过85°C）。尽管最佳配置的压降会增加约25%，但其热工性能提升了约60%，这一优势使得该架构具有较高的实用性。可靠性分析还表明，最佳硅通孔排列方式可使芯片的设计寿命延长约43%。这些研究结果说明，通过更密集地布置直径较小的硅通孔束，既可保持互连密度，又能提升冷却性能，为在先进的异构集成电子封装中实现热管理与运行可靠性的平衡提供了实用的设计指导。