3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析

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焊球和焊盘的单元划分3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞热稳态分析稳态温度场分析加载条件描述：四层叠层芯片为模型的热源，每一个芯片的功耗为0.25W，共计1W，芯片的热生成率为6.87×107𝑊/𝑚3，空气对流换热系数设为10𝑊/(𝑚2∙𝐾)，选择四组不同热传导系数的垫圈作为对比分析，进而分析其温度场变化。垫圈的热传导系数为𝟎.𝟏𝑾/(𝒎∙𝑲)时的温度场分布3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞热稳态分析垫圈的热传导系数为𝟎.𝟏𝑾/(𝒎∙𝑲)时TSV的温度场分布3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞热稳态分析热稳态分析结论：在本论文所用的模型中，通过分析不同情况下的模型和TSV的温度场可以看出，整体模型在PCB边缘位置温度最低，而对于TSV而言，在芯片的边缘的TSV的温度最低，且温度从此处向两边逐渐提高；另外，叠层芯片从上层至最下面的一层，TSV的温度逐渐下降；通过对不同热传导系数的温度场进行分析，随着垫圈的热传导系数的提高，散热效果越好，温度越低，温度梯度越小，但是变化并不明显。3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞温度循环实验的有限元分析载荷曲线单元类型焊球采用visco107粘塑形变形单元，其他部分采用solid45单元材料参数杨氏模量，泊松比，热膨胀系数（焊球还有Anand本构方程的参数）约束条件底面全约束；对称面对称约束3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞应力分析；3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞应变分析；3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞位移分析；3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞温度循环条件下的有限元分析结论：1.在高温阶段的最大应力值和最大应变值要比低温阶段的最大应力值和最大应变值要大一些，而在周期结束时，即升温到25℃结束时所得到的最大应力值和最大应变值最小；2.高温阶段和低温阶段的最大应力应变所在的位置与一个周期结束时的应力应变最大点的位置都不尽相同，而就高温阶段和低温阶段的保温过程而言，其应力和应变最大点的位置并不发生变化；3.对于最大应力，在高温保温阶段，应力最大点都位于从模型中心沿x轴方向最边缘的TSV底层的铜层位置，而在低温保温阶段，应力最大点都位于最边缘TSV位置沿-y轴方向数第三个TSV底层铜层上，在一个周期结束时，应力最大点转移到芯片边缘的TSV的底层铜层上；4.对于最大应变，在高温保温阶段，应变最大点都位于从芯片边缘TSV处沿-x轴方向数第四个TSV底层的锡层的位置，而在低温保温阶段，应变最大点都位于最边缘TSV位置沿-x轴方向数第六个TSV底层的锡层的位置上，在一个周期结束时，应变最大点转移到芯片边缘的TSV的底层锡层上。5.对于一个特定的时间点而言，芯片和芯片之间的金属凸点（由铜-锡-铜构成）的应力和应变要高于芯片中的铜柱的应力和应变；3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞6.在温度循环条件下，TSV的位移变化和芯片的位移变化趋势一致，在边缘位置的底层芯片的Cu层出现了位移变化最大点；7.高温阶段的最大位移值要高于低温阶段的最大位移值，而一个周期结束时的最大位移值最小；8.高温阶段和低温阶段的最大位移点都在同一个位置，都位于从芯片边缘TSV沿-y方向数第三个TSV的顶端位置，而在一个周期结束时，位移最大点转移到芯片边缘TSV的底层的铜层的位置，底层TSV的位移值要低于上层TSV的位移值，说明下层TSV变形较小，而上层TSV变形较大；3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞温度冲击实验的有限元分析载荷曲线单元类型焊球采用visco107粘塑形变形单元，其他部分采用solid45单元材料参数杨氏模量，泊松比，热膨胀系数（焊球还有Anand本构方程的参数）约束条件底面全约束；对称面对称约束3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞应力分析3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞应变分析3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞位移分析3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析展望&谢辞温度冲击试验有限元分析结论1.在高温阶段的最大应力值和应变值要比低温阶段的最大应力值和应变值要大一些，而一个周期结束时，最大应力和应变值达到最低；2.在一个周期中，最大应力点和最大应变点处于不同位置，最大应力点位于芯片边缘的TSV沿-y轴方向数第三个TSV底层的铜层位置，而最大应变点位于芯片边缘TSV沿-y轴方向数第三个TSV底层的锡层位置；3.在一个周期内，TSV的最大位移点呈现不规则变化，上层TSV的位移要普遍大于下层TSV的位移；3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析结论展望&谢辞结论与展望：1.在热稳态条件下，上层芯片的TSV的温度要比底层的TSV的温度高，芯片边缘位置的TSV温度最低，越靠近模型中心位置，温度越高；通过提高TSV模型芯片与芯片之间的垫圈的热传导系数，有利于3D模型的散热，可以作为热设计优化的选择方案；由于建模过程中仍然有部分是自由划分的单元，在单元转化过程中，ANSYS程序报错，故在本论文中没有能实现稳态条件下的热应力分析，对此模型的稳态条件的热应力分析仍有待解决；2.在温度循环条件和温度冲击条件下，TSV的应力最大点位于边缘位置的铜层，而应变最大点则位于TSV底层的Sn层；此结论仍有待实验验证；3.芯片和芯片之间的金属凸点（由铜-锡-铜构成）的应力应变值要高于芯片中的铜柱的应力应变值；4.顶端TSV的位移变化一般要比底层TSV的位移变化大；5.在温度冲击条件下，TSV结构及整个封装体结构所产生的应力、应变和位移均比在温度循环条件下的相应值大；通过改善材料之间的热失配，可以有效地改善封装结构的可靠性；本文根据一个采用TSV技术的3D模型，在不同温度模型下进行有限元仿真，得到了一些结论，但这些结论是否正确，是否同样适用于其他TSV模型，仍有待进一步的理论研究和实验验证。3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析TSV介绍热稳态分析温度循环分析温度冲击分析结论展望&谢辞谢辞：本次毕业设计是在杨道国教授指导下完成的，杨院长和研究生侯峰泽学长和唐红雨学姐在本次毕业设计过程中给我提供了很大的帮助，在此一并致谢！感谢各位评委老师在百忙之中对我毕业设计的审阅，谢谢！