D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱機械應(yīng)力

3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析肖明（指導(dǎo)教師：楊道國教授）3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析溫度沖擊分析展望&謝辭TSV介紹3D封裝

隨著電子制造產(chǎn)業(yè)的特征尺寸下降到20nm甚至更低，為了在一定尺寸的芯片上實現(xiàn)更多的功能，同時避免高密度下2D封裝的長程互連造成的RC延遲，研究者們把目光投向了Z方向封裝——3D封裝。3D封裝類型埋置型3D封裝有源基板型3D封裝疊層型3D封裝3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析溫度沖擊分析展望&謝辭TSV介紹硅通孔技術(shù)(TSV)是通過在芯片和芯片之間、晶圓和晶圓之間制作垂直導(dǎo)通，實現(xiàn)芯片之間互連的最新技術(shù)。

由于TSV能夠使芯片在三維方向堆疊的密度最大、芯片之間的互連線最短、外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能，成為目前電子封裝技術(shù)中最引人注目的一種技術(shù)。TSV的優(yōu)勢：縮小封裝尺寸高頻特性出色，減小傳輸延時降低噪聲降低芯片功耗，TSV可將硅鍺芯片的功耗降低大約40%熱膨脹可靠性高第四代封裝技術(shù)TSV技術(shù)3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析溫度沖擊分析展望&謝辭TSV介紹TSV技術(shù)的可靠性問題TSV技術(shù)的可靠性問題包括：銅填充的硅通孔在周期性溫度變化的情況下因為銅硅熱失配導(dǎo)致硅通孔開裂;硅通孔與凸點連接的金屬間化合物的在應(yīng)力作用下的斷裂；使用硅通孔多層堆疊的芯片的散熱問題等等。3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析溫度沖擊分析展望&謝辭TSV介紹本文采用的TSV3D模型3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析溫度沖擊分析展望&謝辭TSV介紹3DTSV封裝的有限元模型3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析溫度沖擊分析展望&謝辭TSV介紹3DTSV封裝模型的分割圖形模型PCB、焊球和基板切割后圖形芯片和墊圈切割圖形3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析溫度沖擊分析展望&謝辭TSV介紹3DTSV有限元模型單元劃分整體單元劃分圖形TSV整體部分單元劃分3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析溫度沖擊分析展望&謝辭TSV介紹3DTSV有限元模型的單元劃分PCB、焊球和基板部分的單元劃分圖形3D封裝中硅通孔互連技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分析熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析溫度沖擊分析展望&謝辭TSV介紹3DTSV有限元模型單元劃分TSV的單元劃分3D封裝中硅通通孔互連技技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分分析熱穩(wěn)態(tài)分析析溫度循環(huán)分分析溫度沖擊分分析展望&謝辭TSV介紹3DTSV有限元模型型單元劃分焊球和焊盤盤的單元劃分3D封裝中硅通通孔互連技技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分分析TSV介紹溫度循環(huán)分分析溫度沖擊分分析展望&謝辭熱穩(wěn)態(tài)分析析穩(wěn)態(tài)溫度場場分析3D封裝中硅通通孔互連技技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分分析TSV介紹溫度循環(huán)分分析溫度沖擊分分析展望&謝辭熱穩(wěn)態(tài)分析析3D封裝中硅通通孔互連技技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分分析TSV介紹溫度循環(huán)分分析溫度沖擊分分析展望&謝辭熱穩(wěn)態(tài)分析析熱穩(wěn)態(tài)分析析結(jié)論：在本論文所用用的模型中中，通過分分析不同情情況下的模型和TSV的溫度場可可以看出，整體模型型在PCB邊緣位置溫溫度最低，，而對于TSV而言，在芯片的邊緣緣的TSV的溫度最低低，且溫度度從此處向向兩邊逐漸漸提高；另另外，疊層層芯片從上上層至最下下面的一層層，TSV的溫度逐漸漸下降；通通過對不同同熱傳導(dǎo)系系數(shù)的溫度度場進行分分析，隨著著墊圈的熱熱傳導(dǎo)系數(shù)數(shù)的提高，，散熱效果果越好，溫溫度越低，溫度梯度越越小，但是是變化并不不明顯。3D封裝中硅通通孔互連技技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分析析溫度循環(huán)分分析溫度沖擊分分析展望&謝辭溫度循環(huán)實實驗的有限限元分析載荷曲線單元類型焊球采用visco107粘塑形變形形單元，其其他部分采采用solid45單元材料參數(shù)楊氏模量，，泊松比，，熱膨脹系系數(shù)（焊球球還有Anand本構(gòu)方程的的參數(shù)）約束條件底面全約束束；對稱面面對稱約束束3D封裝中硅通通孔互連技技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分析析溫度循環(huán)分分析溫度沖擊分分析展望&謝辭應(yīng)力分析；；3D封裝中硅通通孔互連技技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分析析溫度循環(huán)分分析溫度沖擊分分析展望&謝辭3D封裝中硅通通孔互連技技術(shù)的熱-機械應(yīng)力分分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分析析溫度循環(huán)分分析溫度沖擊分分析展望&謝辭應(yīng)變分析；；3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭位移分析析；3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭溫度循環(huán)環(huán)條件下的有限限元分析析結(jié)論：1.在高溫階段的最最大應(yīng)力力值和最最大應(yīng)變變值要比比低溫階階段的最最大應(yīng)力力值和最最大應(yīng)變變值要大大一些，，而在周周期結(jié)束束時，即即升溫到到25℃結(jié)束時時所得到到的最大大應(yīng)力值值和最大大應(yīng)變值值最小；2.高溫階段和低低溫階段段的最大大應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變所在在的位置置與一個個周期結(jié)結(jié)束時的的應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變最大大點的位位置都不不盡相同同，而就就高溫階階段和低低溫階段段的保溫溫過程而而言，其其應(yīng)力和和應(yīng)變最最大點的的位置并并不發(fā)生生變化；3.對于最大應(yīng)力力，在高高溫保溫溫階段，，應(yīng)力最最大點都都位于從從模型中中心沿x軸方向最最邊緣的的TSV底層的銅銅層位置置，而在在低溫保保溫階段段，應(yīng)力力最大點點都位于于最邊緣緣TSV位置沿-y軸方向數(shù)數(shù)第三個個TSV底層銅層層上，在在一個周周期結(jié)束束時，應(yīng)應(yīng)力最大大點轉(zhuǎn)移移到芯片片邊緣的的TSV的底層銅銅層上；4.對于最大應(yīng)變變，在高高溫保溫溫階段，，應(yīng)變最最大點都都位于從從芯片邊邊緣TSV處沿-x軸方向數(shù)數(shù)第四個個TSV底層的錫錫層的位位置，而而在低溫溫保溫階階段，應(yīng)應(yīng)變最大大點都位位于最邊邊緣TSV位置沿-x軸方向數(shù)數(shù)第六個個TSV底層的錫錫層的位位置上，，在一個個周期結(jié)結(jié)束時，，應(yīng)變最最大點轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到芯芯片邊緣緣的TSV的底層錫錫層上。5.對于一個特定定的時間間點而言言，芯片片和芯片片之間的的金屬凸凸點（由由銅-錫-銅構(gòu)成））的應(yīng)力力和應(yīng)變變要高于于芯片中中的銅柱柱的應(yīng)力力和應(yīng)變變；3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭6.在溫度循環(huán)環(huán)條件下下，TSV的位移變變化和芯芯片的位位移變化化趨勢一一致，在在邊緣位位置的底底層芯片片的Cu層出現(xiàn)了了位移變變化最大大點；7.高溫階段的最最大位移移值要高高于低溫溫階段的的最大位位移值，，而一個個周期結(jié)結(jié)束時的的最大位位移值最最??；8.高溫階段和低低溫階段段的最大大位移點點都在同同一個位位置，都都位于從從芯片邊邊緣TSV沿-y方向數(shù)第第三個TSV的頂端位位置，而而在一個個周期結(jié)結(jié)束時，，位移最最大點轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到芯芯片邊緣緣TSV的底層的的銅層的的位置，，底層TSV的位移值值要低于于上層TSV的位移值值，說明明下層TSV變形較小小，而上上層TSV變形較大大；3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭溫度沖擊擊實驗的的有限元元分析載荷曲線線單元類型型焊球采用用visco107粘塑形變變形單元元，其他他部分采采用solid45單元材料參數(shù)數(shù)楊氏模量量，泊松松比，熱熱膨脹系系數(shù)（焊焊球還有有Anand本構(gòu)方程程的參數(shù)數(shù)）約束條件件底面全約約束；對對稱面對對稱約束束3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭應(yīng)力分析析3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭應(yīng)變分析析3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭位移分析析3D封裝中硅硅通孔互互連技術(shù)術(shù)的熱-機械應(yīng)力力分析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分分析溫度循環(huán)環(huán)分析溫度沖擊擊分析展望&謝辭溫度沖擊擊試驗有有限元分分析結(jié)論論1.在高溫階段的最最大應(yīng)力值和和應(yīng)變值要比比低溫階段的的最大應(yīng)力值值和應(yīng)變值要要大一些，而而一個周期結(jié)結(jié)束時，最大大應(yīng)力和應(yīng)變變值達到最低低；2.在一個周期中，，最大應(yīng)力點點和最大應(yīng)變變點處于不同同位置，最大大應(yīng)力點位于于芯片邊緣的的TSV沿-y軸方向數(shù)第三三個TSV底層的銅層位位置，而最大大應(yīng)變點位于于芯片邊緣TSV沿-y軸方向數(shù)第三三個TSV底層的錫層位位置；3.在一個周期內(nèi)內(nèi)，TSV的最大位移點點呈現(xiàn)不規(guī)則則變化，上層TSV的位移要普遍遍大于下層TSV的位移；3D封裝中硅通孔孔互連技術(shù)的的熱-機械應(yīng)力分析析TSV介紹熱穩(wěn)態(tài)分析溫度循環(huán)分析析溫度沖擊分析析結(jié)論展望&謝辭結(jié)論與展望：：1.在熱穩(wěn)態(tài)條件件下，上層芯芯片的TSV的溫度要比底底層的TSV的溫度高，芯芯片邊緣位置置的TSV溫度最低，越越靠近模型中中心位置，溫溫度越高；通通過提高TSV模型芯片與芯芯片之間的墊墊圈的熱傳導(dǎo)導(dǎo)系數(shù)，有利利于3D模型的散熱，，可以作為熱熱設(shè)計優(yōu)化的的選擇方案；；由于建模過過程中仍然有有部分是自由由劃分的單元元，在單元轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化過程中，，ANSYS程序報錯，故故在本論文中中沒有能實現(xiàn)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)條件下下的熱應(yīng)力分分析，對此模模型的穩(wěn)態(tài)條條件的熱應(yīng)力力分析仍有待待解決；2.在溫度循環(huán)條條件和溫度沖沖擊條件下，TSV的應(yīng)力最大點點位于邊緣位位置的銅層，，而應(yīng)變最大大點則位于TSV底層的Sn層；此結(jié)論仍有有待實驗驗證證；3.芯片和芯片之之間的金屬凸凸點（由銅-錫-銅構(gòu)成）的應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變值要要高于芯片中中的銅柱的應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變值；4.頂端TSV的位移變化一一般要比底層層