Thermal Performance Analysis of Carbon Materials Based TSV in Three Dimensional Integrated Circuits

材料科学 三维集成电路 热导率 通过硅通孔 集成电路 散热片 热的 工作(物理) 复合材料 机械工程 电子工程 光电子学 工程类 热力学 物理
作者
Peng Xu,Huan Huang,Bing-Qi Zhang,Zhenghua Tang
出处
期刊:IEEE Access [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:11: 75285-75294
标识
DOI:10.1109/access.2023.3297222
摘要

This paper applies the carbon materials (i.e., SWCNT, MWCNT, and GNR) as new prospective filler materials of through silicon vias (TSV) for replacing the conventional copper (Cu) to improve the thermal performance of three-dimensional integrated circuits (3-D ICs). The thermal performance of 3-D ICs with integrated TSVs is investigated and the corresponding numerical calculation model is established in this work. Moreover, the thermal performance of 3-D ICs with integrated carbon materials based TSV is investigated by applying our proposed numerical calculation model. The calculation results illustrate that the 3D-ICs with integrated SWCNT based TSV have a greater thermal performance, as compared with the 3-D ICs integrated other materials (i.e., MWCNT, GNR, and Cu) based TSV. Furthermore, it is also manifested that the temperature of die layer in 3-D ICs can be reduced by increasing the thermal conductivity of package and heat sink, by increasing the radius of TSV and decreasing the spacing between TSV. In addition, it is found that the results of our proposed numerical calculation model are fairly consistent with COMSOL simulation and the maximum relative error for them is not exceeding 2%. The proposed new filler materials in this work has many potential applications in improving the heat dissipation performance of 3-D ICs, meanwhile the presented numerical calculation model can provide guidelines for thermal design of 3-D ICs.

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