【論文分享】背面供電網(wǎng)絡(luò)的熱代價：BS-PDN 封裝級熱建模分析

作者：Herman Oprins,Jose Luis ,Bjorn Vermeersch

單位：Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC)

論文鏈接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9899603

研究概述

這篇論文關(guān)注先進(jìn)芯片供電網(wǎng)絡(luò)從正面轉(zhuǎn)移到背面后，封裝級散熱會發(fā)生什么變化。背面供電網(wǎng)絡(luò)（BS-PDN）可以釋放正面布線資源、提升芯片面積利用率并降低細(xì)間距 BEOL 的復(fù)雜度，但它需要把硅襯底減薄到幾百納米，并通過微米/納米 TSV 將背面金屬與埋入式電源軌連接。作者的核心問題是：襯底變薄帶來的自熱惡化，能否被背面金屬層的橫向熱擴散能力部分抵消？

圖 1. 該圖給出了傳統(tǒng)正面供電（FS-PDN）與 TSV-last 背面供電（BS-PDN）結(jié)構(gòu)的示意圖和截面圖。傳統(tǒng)方案中供電網(wǎng)絡(luò)與信號網(wǎng)絡(luò)都位于芯片正面 BEOL；BS-PDN 則把電源金屬移至芯片背面，并通過穿硅通孔與埋入式電源軌連接，從而為正面信號布線釋放空間。

BS-PDN 的熱問題不是單純的“多了一層材料熱阻”。在局部熱點尺度，極薄硅襯底會顯著削弱橫向熱擴散，并且納米尺度下硅的有效熱導(dǎo)率也會下降，這會提高器件自熱溫升。與此同時，背面金屬層具有較高金屬密度和較大線寬，能夠把熱量沿平面方向攤開，反過來降低局部熱點溫度。

圖 2. 該圖展示了不同熱源尺寸下，硅襯底減薄對熱阻的影響。隨著襯底厚度降低，熱擴散/收縮熱阻明顯上升；熱源越局部，這種增幅越突出，說明熱點場景比均勻發(fā)熱場景更容易暴露 BS-PDN 的熱風(fēng)險。

研究亮點

仿真結(jié)果顯示，如果只把硅襯底從 200 um 減薄到 500 nm，而沒有背面金屬參與散熱，小熱源和大熱源的溫升都會增加到約 2.2 倍。加入單層背面金屬并采用 16.7% 的高 TSV 密度后，熱點溫度可以降低 27% 到 30%，最終相對于傳統(tǒng) FS-PDN 仍存在約 60% 的熱懲罰。換句話說，背面金屬不能完全消除襯底減薄帶來的自熱問題，但能顯著緩解它。

圖 3. 該圖給出了小熱源和大熱源在 STI 發(fā)熱層中的溫度分布云圖，假設(shè)背面存在致密 TSV 陣列和背面金屬。結(jié)果顯示熱點溫度分布仍然高度局部化，但背面金屬提供了可見的橫向熱擴散通道。

論文進(jìn)一步指出，背面金屬是否真正發(fā)揮散熱作用，很大程度取決于 TSV 密度。高 TSV 密度能把更多熱量注入背面金屬，提升橫向擴散；若 TSV 密度降低到更接近實際 tap cell 實現(xiàn)的 4%，溫升改善幅度就會明顯下降。背面金屬厚度同樣重要：當(dāng)硅襯底從 500 nm 繼續(xù)減薄到 300 nm 時，把背面金屬厚度增加到約 700 nm，可以在一定程度上維持相近的溫升水平。

圖 4. 該圖比較了無背面金屬、4% TSV 密度和 16.7% TSV 密度三種情況下大熱源的溫度分布。4% TSV 密度只能帶來約 12% 的溫度降低，而 16.7% TSV 密度可帶來約 31% 的溫度降低；相對于 200 um 厚硅參考結(jié)構(gòu)，溫升分別約為 1.9 倍和 1.6 倍。

總結(jié)與展望

這項工作給 BS-PDN 熱設(shè)計提供了一個很重要的判斷：背面供電并不必然“熱上無害”，其影響取決于功率分布、熱點尺寸、硅襯底厚度、背面金屬尺寸以及 TSV 密度。對于均勻功率假設(shè)，BS-PDN 的影響可能接近一維熱流模型下的很小熱阻變化；但對于單個熱點，襯底減薄可能使溫升接近翻倍。實際芯片介于兩者之間，因此需要把真實功率密度分布和熱點尺度納入詳細(xì)熱仿真。總體來看，背面金屬和 TSV 網(wǎng)絡(luò)是緩解薄硅自熱的關(guān)鍵設(shè)計變量，未來更激進(jìn)的 BS-PDN 尺寸縮放需要電源完整性、布線、工藝可制造性和封裝熱管理共同優(yōu)化。

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