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文档简介

3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析肖明(指导教师:杨道国教授)3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞TSV介绍3D封装

随着电子制造产业的特征尺寸下降到20nm甚至更低,为了在一定尺寸的芯片上实现更多的功能,同时避免高密度下2D封装的长程互连造成的RC延迟,研究者们把目光投向了Z方向封装——3D封装。3D封装类型埋置型3D封装有源基板型3D封装叠层型3D封装3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞TSV介绍硅通孔技术(TSV)是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通,实现芯片之间互连的最新技术。

由于TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大、芯片之间的互连线最短、外形尺寸最小,并且大大改善芯片速度和低功耗的性能,成为目前电子封装技术中最引人注目的一种技术。TSV的优势:缩小封装尺寸高频特性出色,减小传输延时降低噪声降低芯片功耗,TSV可将硅锗芯片的功耗降低大约40%热膨胀可靠性高第四代封装技术TSV技术3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞TSV介绍TSV技术的可靠性问题TSV技术的可靠性问题包括:铜填充的硅通孔在周期性温度变化的情况下因为铜硅热失配导致硅通孔开裂;硅通孔与凸点连接的金属间化合物的在应力作用下的断裂;使用硅通孔多层堆叠的芯片的散热问题等等。3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞TSV介绍本文采用的TSV3D模型3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞TSV介绍3DTSV封装的有限元模型3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞TSV介绍3DTSV封装模型的分割图形模型PCB、焊球和基板切割后图形芯片和垫圈切割图形3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞TSV介绍3DTSV有限元模型单元划分整体单元划分图形TSV整体部分单元划分3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞TSV介绍3DTSV有限元模型的单元划分PCB、焊球和基板部分的单元划分图形3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞TSV介绍3DTSV有限元模型单元划分TSV的单元划分3D封装中硅通通孔互连技技术的热-机械应力分分析热稳态分析析温度循环分分析温度冲击分分析展望&谢辞TSV介绍3DTSV有限元模型型单元划分焊球和焊盘盘的单元划分3D封装中硅通通孔互连技技术的热-机械应力分分析TSV介绍温度循环分分析温度冲击分分析展望&谢辞热稳态分析析稳态温度场场分析3D封装中硅通通孔互连技技术的热-机械应力分分析TSV介绍温度循环分分析温度冲击分分析展望&谢辞热稳态分析析3D封装中硅通通孔互连技技术的热-机械应力分分析TSV介绍温度循环分分析温度冲击分分析展望&谢辞热稳态分析析热稳态分析析结论:在本论文所用用的模型中中,通过分分析不同情情况下的模型和TSV的温度场可可以看出,整体模型型在PCB边缘位置温温度最低,,而对于TSV而言,在芯片的边缘缘的TSV的温度最低低,且温度度从此处向向两边逐渐渐提高;另另外,叠层层芯片从上上层至最下下面的一层层,TSV的温度逐渐渐下降;通通过对不同同热传导系系数的温度度场进行分分析,随着着垫圈的热热传导系数数的提高,,散热效果果越好,温温度越低,温度梯度越越小,但是是变化并不不明显。3D封装中硅通通孔互连技技术的热-机械应力分分析TSV介绍热稳态分析析温度循环分分析温度冲击分分析展望&谢辞温度循环实实验的有限限元分析载荷曲线单元类型焊球采用visco107粘塑形变形形单元,其其他部分采采用solid45单元材料参数杨氏模量,,泊松比,,热膨胀系系数(焊球球还有Anand本构方程的的参数)约束条件底面全约束束;对称面面对称约束束3D封装中硅通通孔互连技技术的热-机械应力分分析TSV介绍热稳态分析析温度循环分分析温度冲击分分析展望&谢辞应力分析;;3D封装中硅通通孔互连技技术的热-机械应力分分析TSV介绍热稳态分析析温度循环分分析温度冲击分分析展望&谢辞3D封装中硅通通孔互连技技术的热-机械应力分分析TSV介绍热稳态分析析温度循环分分析温度冲击分分析展望&谢辞应变分析;;3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞位移分析析;3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞温度循环环条件下的有限限元分析析结论:1.在高温阶段的最最大应力力值和最最大应变变值要比比低温阶阶段的最最大应力力值和最最大应变变值要大大一些,,而在周周期结束束时,即即升温到到25℃结束时时所得到到的最大大应力值值和最大大应变值值最小;2.高温阶段和低低温阶段段的最大大应力应应变所在在的位置置与一个个周期结结束时的的应力应应变最大大点的位位置都不不尽相同同,而就就高温阶阶段和低低温阶段段的保温温过程而而言,其其应力和和应变最最大点的的位置并并不发生生变化;3.对于最大应力力,在高高温保温温阶段,,应力最最大点都都位于从从模型中中心沿x轴方向最最边缘的的TSV底层的铜铜层位置置,而在在低温保保温阶段段,应力力最大点点都位于于最边缘缘TSV位置沿-y轴方向数数第三个个TSV底层铜层层上,在在一个周周期结束束时,应应力最大大点转移移到芯片片边缘的的TSV的底层铜铜层上;4.对于最大应变变,在高高温保温温阶段,,应变最最大点都都位于从从芯片边边缘TSV处沿-x轴方向数数第四个个TSV底层的锡锡层的位位置,而而在低温温保温阶阶段,应应变最大大点都位位于最边边缘TSV位置沿-x轴方向数数第六个个TSV底层的锡锡层的位位置上,,在一个个周期结结束时,,应变最最大点转转移到芯芯片边缘缘的TSV的底层锡锡层上。5.对于一个特定定的时间间点而言言,芯片片和芯片片之间的的金属凸凸点(由由铜-锡-铜构成))的应力力和应变变要高于于芯片中中的铜柱柱的应力力和应变变;3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞6.在温度循环环条件下下,TSV的位移变变化和芯芯片的位位移变化化趋势一一致,在在边缘位位置的底底层芯片片的Cu层出现了了位移变变化最大大点;7.高温阶段的最最大位移移值要高高于低温温阶段的的最大位位移值,,而一个个周期结结束时的的最大位位移值最最小;8.高温阶段和低低温阶段段的最大大位移点点都在同同一个位位置,都都位于从从芯片边边缘TSV沿-y方向数第第三个TSV的顶端位位置,而而在一个个周期结结束时,,位移最最大点转转移到芯芯片边缘缘TSV的底层的的铜层的的位置,,底层TSV的位移值值要低于于上层TSV的位移值值,说明明下层TSV变形较小小,而上上层TSV变形较大大;3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞温度冲击击实验的的有限元元分析载荷曲线线单元类型型焊球采用用visco107粘塑形变变形单元元,其他他部分采采用solid45单元材料参数数杨氏模量量,泊松松比,热热膨胀系系数(焊焊球还有有Anand本构方程程的参数数)约束条件件底面全约约束;对对称面对对称约束束3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞应力分析析3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞应变分析析3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞位移分析析3D封装中硅硅通孔互互连技术术的热-机械应力力分析TSV介绍热稳态分分析温度循环环分析温度冲击击分析展望&谢辞温度冲击击试验有有限元分分析结论论1.在高温阶段的最最大应力值和和应变值要比比低温阶段的的最大应力值值和应变值要要大一些,而而一个周期结结束时,最大大应力和应变变值达到最低低;2.在一个周期中,,最大应力点点和最大应变变点处于不同同位置,最大大应力点位于于芯片边缘的的TSV沿-y轴方向数第三三个TSV底层的铜层位位置,而最大大应变点位于于芯片边缘TSV沿-y轴方向数第三三个TSV底层的锡层位位置;3.在一个周期内内,TSV的最大位移点点呈现不规则则变化,上层TSV的位移要普遍遍大于下层TSV的位移;3D封装中硅通孔孔互连技术的的热-机械应力分析析TSV介绍热稳态分析温度循环分析析温度冲击分析析结论展望&谢辞结论与展望::1.在热稳态条件件下,上层芯芯片的TSV的温度要比底底层的TSV的温度高,芯芯片边缘位置置的TSV温度最低,越越靠近模型中中心位置,温温度越高;通通过提高TSV模型芯片与芯芯片之间的垫垫圈的热传导导系数,有利利于3D模型的散热,,可以作为热热设计优化的的选择方案;;由于建模过过程中仍然有有部分是自由由划分的单元元,在单元转转化过程中,,ANSYS程序报错,故故在本论文中中没有能实现现稳态条件下下的热应力分分析,对此模模型的稳态条条件的热应力力分析仍有待待解决;2.在温度循环条条件和温度冲冲击条件下,TSV的应力最大点点位于边缘位位置的铜层,,而应变最大大点则位于TSV底层的Sn层;此结论仍有有待实验验证证;3.芯片和芯片之之间的金属凸凸点(由铜-锡-铜构成)的应应力应变值要要高于芯片中中的铜柱的应应力应变值;4.顶端TSV的位移变化一一般要比底层层

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