TSV 모델을 포함하는 상위 레벨 3D-IC 열 시뮬레이터

Abstract

수십 년 동안 반도체 기술에서 주요 관심사는 집적도(degree of integration)를 높이는데 있었다. 그러나 기존의 2D 집적회로(Integrated Circuit)에서의 집적도 향상은 이제 한계에 다다르고 있다. 이에 2D의 die를 쌓아 올리는 방법을 고안하게 되었으며 이 3D stacking 방법은 유망한 기술로 전망되고 있다. 3D로 쌓아 올려진 die는 한 평면에 나란히 있을 때보다 같은 면적에 대해 수 배 이상 그 집적도가 커지고 나란히 연결되는 대신 수직으로 전선이 연결되기 때문에 그 길이도 현저히 짧아진다. 총 전선길이 감소는 실질적으로 임계 경로 지연시간(critical path delay)의 단축과 전선에서 소모하는 에너지 감소 등 여러 가지 장점들이 있다. 그러나 반대로 2D 상태에 비해 전력 소모의 집적도가 올라가고 공기 접촉 면적이 상대적으로 많이 감소하기 때문에 더 큰 열 문제를 맞이하게 된다. 열 문제를 분석하고 해결하기 위해서는 온도를 측정할 수 있는 열 시뮬레이터가 필요하다. 열 시뮬레이터는 포화 온도를 측정하는 steady state(정상 상태) 분석과 순간 온도를 측정하여 온도변화의 추이를 볼 수 있는 transient 분석 두 가지의 경우가 있다. 기존에 있던 많은 열 시뮬레이터들은 2D-IC를 다방면에서 분석하는 방법을 제시하였다. 그러나 3D-IC를 분석하는 열 시뮬레이터는 많지 않고 그 중에 TSV를 고려하는 동시에 steady state와 transient 분석을 모두 할 수 있는 시뮬레이터는 없었다. TSV와 온도를 고려하는 것은 충분히 의미가 있다. TSV(through silicon via)는 3D로 올려진 die들의 전선을 서로 연결하기 위한 장치로 구리(간혹 텅스텐이 사용되기도 함)로 이루어진 원기둥 형태이며 이는 die들을 관통하여 설치된다. 이 때 구리는 TSV 원기둥의 안 쪽에 위치한다. TSV는 전선을 연결하는 역할을 할 뿐만 아니라 전체 칩의 열 문제를 해소하는 역할도 한다. TSV는 보통 패키지에서 spreader와 heatsink를 제외한 die들을 관통하여 연결하고 있어서 spreader나 heatsink와 다른 die 사이의 열 교환을 쉽게 해 준다. TSV의 열 전도율은 칩의 열 전도율보다 크다. 또한 3D stack 중간에 필요에 의해 존재하는 여러 단열물질들을 관통함으로써 TSV는 큰 냉각역할을 할 수 있게 된다. 이에 TSV로 열 문제를 해결해 보려는 시도가 점차 많아지고 있다 [4]. 본 논문에서는 transient 열 분석과 steady state 열 분석이 모두 가능한 시뮬레이터를 제시하였으며 그 성능을 여러 실험들로 증명하였다.

A High Level Thermal 3D-IC simulator including TSV model

성 명 Sunwook Kim 학과 및 전공 Electrical Engineering The Graduate School Seoul National University

For decades, the main interest in semiconductor technology has been in increasing the degree of integration. However, the increase in integration on 2D ICs (integrated circuits) is approaching to its limit. So methods of stacking dies are considered to be a promising technology. 3D stacked die is far more scalable and allows higher degree of integration compared to 2D die. It shortens wire lengths and decreases not only critical path delays but also power consumed by wires. But as the result of stacking, the density of power dissipation rises whereas the area of the surface contacting air decreases. To analyze and solve the thermal problems, a thermal simulator that can estimate temperature is required. There are two aspects of thermal analysis. One is steady state analysis and the other is transient analysis. There are many existing simulators for thermal analysis of 2D-ICs. But there are a few simulators that can analyze 3D-ICs and none of them can perform both steady state and transient analysis while considering TSVs. TSVs made up of copper connect wires on different stacked dies using cylindrical holes through the dies. The copper of the TSVs fills up the cylindrical holes for the connection. As well as connecting wires, TSVs also help dissipating the heat. TSVs commonly connect multiple dies within a package to the spreader and heatsink then they makes it easy to exchange heat. In fact, the thermal conductance of a TSV of copper is higher than that of a chip of silicon. Moreover, since TSVs connect different dies through BEOL(back end of line) and TIM(thermal interface material) layers which blocks heat flow, they help a lot with heat dissipation. As a result there have been many attempts of solving the heat problems with TSVs. This paper presents an approach to the development of a simulator that can analyze both steady state and transient temperatures in 3D ICs with TSVs and shows the effectiveness with some experiments.