引言

随着高性能计算和人工智能/机器学习应用的发展，异构三维(H3D)堆叠系统应运而生。这类系统通过精密间距的垂直芯片堆叠，实现了更高的功能密度、更低的通信延迟和更有效的功率分配。然而，在H3D堆叠系统中，高效电源传输网络(PDN)的实现和散热管理面临着重大挑战[1]。

图1：异构三维集成系统各种电源传输拓扑结构示意图，展示了(a)采用PCB级电压调节器的传统方法，(b)采用中间层集成的过渡方法，以及(c)采用片上电压调节器的终极方法。

1

电源传输网络的演进

传统PDN方法在H3D堆叠系统中面临多项挑战，包括高功率密度需求、不同芯片间的电压需求差异，以及复杂的电源传输路径。在高性能应用中，布线损耗与信号电流的平方成正比，导致显著的功率损耗。

图2：不同布线电压下布线损耗与输出功率的关系图，显示了高功率密度系统中布线电阻的关键影响。

图3：三种不同PDN拓扑的等效电路模型，展示了每种方法的电气特性和复杂性。

对不同PDN拓扑的分析表明，采用片上电压调节器的终极方案(拓扑-3)性能最佳。与传统方法相比，该配置实现了IR压降减少21.5%，电源传输效率提升24.2%。

2

氮化镓功率器件的集成

为实现高效的片上电压转换，氮化镓(GaN)功率器件的应用提供了理想的解决方案。GaN技术在高电压范围内具有卓越的开关性能，非常适合H3D堆叠系统。

图4：GaN功率器件在CMOS芯片PDN上的三维集成详细示意图和制造工艺流程，包括直接散热层键合技术。

图5：异构三维集成GaN功率器件的截面分析，包括(a)扫描电子显微镜图像，(b-d)不同器件区域的透射电子显微镜图像，以及(e)不同材料的热导率比较。

3

器件性能与特性

增强型和耗尽型GaN HEMT的集成展现了优异的性能特征。增强型器件达到了22.3 Ω·mm的导通电阻(Ron)和137 V的击穿电压(VBD)，并在H3D集成后保持稳定运行。

图6：增强型GaN HEMT的电气特性，展示了(a)转移特性，(b)跨导特性，以及(c)输出特性，证明了器件的高性能和可靠性。

4

散热管理创新

散热管理是H3D集成的关键。直接散热层键合技术的实施为散热提供了有效的解决方案。

图7：有无散热层的GaN功率器件热成像对比，展示了散热管理的显著改善。

图8：热特性分析，显示了(a)温升与功率密度的关系，以及(b)有无散热层器件的热阻对比。

散热层的引入使热阻(RTH)降低了48.8%，大幅提升了系统的散热能力。这种改进对于维持高功率应用中的器件可靠性和性能极为重要。

图9：热仿真结果，显示了(a)片上GaN功率器件的截面示意图，(b)热仿真模型，以及(c)有无散热层的温度分布对比。

5

性能对标

与现有解决方案相比，该技术展现了领先的性能。GaN功率器件与直接散热层键合的集成为H3D堆叠系统的PDN设计带来了重要进展。