Thermal Analysis of 3D package using TSV Interposer

3차원 적층 패키지(3D integrated package) 에서 초소형 패키지 내에 적층되어 있는 칩들의 발열로 인한 열 신뢰성 문제는 3차원 적층 패키지의 핵심 이슈가 되고 있다. 본 연구에서는 TSV(through-silicon-via) 기술을 이용한 3차원 적층 패키지의 열 특성을 분석하기 위하여 수치해석을 이용한 방열 해석을 수행하였다. 특히 모바일 기기에 적용하기 위한 3D TSV 패키지의 열 특성에 대해서 연구하였다. 본 연구에서 사용된 3차원 패키지는 최대 8 개의 메모리 칩과 한 개의 로직 칩으로 적층되어 있으며, 구리 TSV 비아가 내장된 인터포저(interposer)를 사용하여 기판과 연결되어 있다. 실리콘 및 유리 소재의 인터포저의 열 특성을 각각 비교 분석하였다. 또한 본 연구에서는 TSV 인터포저를 사용한 3D 패키지에 대해서 메모리 칩과 로직 칩을 사용하여 적층한 경우에 대해서 방열 특성을 수치 해석적으로 연구하였다. 적층된 칩의 개수, 인터포저의 크기 및 TSV의 크기가 방열에 미치는 영향에 대해서도 분석하였다. 이러한 결과를 바탕으로 메모리 칩과 로직 칩의 위치 및 배열 형태에 따른 방열의 효과를 분석하였으며, 열을 최소화하기 위한 메모리 칩과 로직 칩의 최적의 적층 방법을 제시하였다. 궁극적으로 3D TSV 패키지 기술을 모바일 기기에 적용하였을 때의 열 특성 및 이슈를 분석하였다. 본 연구 결과는 방열을 고려한 3D TSV 패키지의 최적 설계에 활용될 것으로 판단되며, 이를 통하여 패키지의 방열 설계 가이드라인을 제시하고자 하였다. In 3-dimensional (3D) integrated package, thermal management is one of the critical issues due to the high heat flux generated by stacked multi-functional chips in miniature packages. In this study, we used numerical simulation method to analyze the thermal behaviors, and investigated the thermal issues of 3D package using TSV (through-silicon-via) technology for mobile application. The 3D integrated package consists of up to 8 TSV memory chips and one logic chip with a interposer which has regularly embedded TSVs. Thermal performances and characteristics of glass and silicon interposers were compared. Thermal characteristics of logic and memory chips are also investigated. The effects of numbers of the stacked chip, size of the interposer and TSV via on the thermal behavior of 3D package were investigated. Numerical analysis of the junction temperature, thermal resistance, and heat flux for 3D TSV package was performed under normal operating and high performance operation conditions, respectively. Based on the simulation results, we proposed an effective integration scheme of the memory and logic chips to minimize the temperature rise of the package. The results will be useful of design optimization and provide a thermal design guideline for reliable and high performance 3D TSV package.