硅通孔tsv結(jié)構(gòu)三維堆疊芯片封裝的熱力特性仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘隨著電子封裝技術(shù)的快速發(fā)展，疊層封裝已逐漸發(fā)展成為先進(jìn)封裝領(lǐng)域的主流技術(shù)之一。含有硅通孔結(jié)構(gòu)的三維堆疊封裝是極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，硅通孔的連接方式無(wú)需引線鍵合，能夠有效地縮短互連距離，降低信號(hào)在的傳輸過(guò)程中的延遲與損失，提高帶寬與信號(hào)傳輸速度；同時(shí)，也能顯著降低的功耗，減小封裝的體積，實(shí)現(xiàn)器件和產(chǎn)品的微型化。本工作將主要研究三維封裝中硅通孔結(jié)構(gòu)的熱-力特性。本文研究主要利用ANSYS軟件通過(guò)有限元分析法對(duì)三維堆疊封裝中硅通孔結(jié)構(gòu)堆疊封裝模型，模型中的焊點(diǎn)部分采用Anand粘塑性本構(gòu)模型；然后模擬了所建模型模擬結(jié)果表明，在下層陣列中處于對(duì)角線位置最靠近外側(cè)的焊點(diǎn)是最部位，最大58.2P，最有可能在溫度變化時(shí)出現(xiàn)裂紋、交界面分層等缺陷。在優(yōu)化設(shè)Sn-3.-0.5u(S305)Sn-3.5Ag勞但材料價(jià)格也更高在硅通孔結(jié)構(gòu)中加入SiO2絕緣層之69.7%.證明加入層有利于提高封裝結(jié)構(gòu)的可靠性。減小硅通孔的半徑也可使系統(tǒng)等效應(yīng)力應(yīng)變值有所減小，但是變化幅值不大，因此硅通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)工藝要求和結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)需要選擇合適的硅通孔尺寸。Withtherapiddevelopmentofelectronicpackaging,three-dimensional(3D)chippackaginghas ethemaintechnologyofpackagingareassoastomeetthedemandforhigh-density,multifunctionandhighreliabilitydevicesandproducts.3Dstackedchippackagingwiththroughsiliconvia(TSV)structureisofgreatpotentialfordevelopmentoftechnology.Comparedtothetraditionalwirebonding,theTSVstructurecaneffectivelyshortenthedistanceofinterconnection,reducesignaldelayandlossduringtransmissionofchips,improvethebandwidthandsignaltransmissionspeed,sewellasreducethepowerconsumption,volumeofthepackage,andhaveminiaturizationandmulti-functional,high-performanceandhigh-densitycharacteristics.Thermo-mechanicalcharacteristicsofTSVstructurepackagearethemaincontentofthisthesisstudy.Inthisthesisstudy,thesimulationofTSVstructured3DstackedchippackagewascarriedoutbyANSYSsoftwareinordertoinvestigatethethermo-mechanicalcharacteristicsinservice.Atfirst,athree-layer5×5fullarrayTSVstructured3Dstackedchippackagemodelwasestablishedandthethermo-mechanicalcharacteristicsofthemodelwithtemperaturecyclesweresimulatedandoptimized.Then,themostdangerouspositionofthepackagingsystemwasidentifiedbyyzingtheresults.Finally,somesuggestionswereputforwardwithchangingthegeometricalormaterialparametersoftheTheresultsshowthatthepositioninthelowerarray(i.e.,thelayerincontactwiththesubstrate)ofsolderjointsinadiagonalpositionclosesttotheoutsideismostdangerous,andtheumequivalentstressreaches58.2MPa.Themostdangerouspositionismostlikelyto ethecewheredefectsoriginate,suchascracksandinterfacedelamination,whensubjectedtotemperaturechanges.TheoptimizationdesignresultsshowthatthesolderjointspreparedbyrecingSn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)solderwithSn-3.5Agsolder,despiteitshighercost.ThepackagingsystemcanbeofhighreliabilitywhenaSiO2insulatinglayerwasaddedinTSVstructure.BoththestressandstrainofthesystemdecreasealittlewhentheradiusofTSVisreduced,sotheappropriatesizeinTSVscanbeselectedtosatisfytheprocessrequirementandstructuralreliability. 目摘 第一章緒 研究背景及意 TSV結(jié)構(gòu)三維封裝概 TSV結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要 TSV工藝流 三維封裝可靠性的檢測(cè)方 三維封裝的仿真模 本課題的研究?jī)?nèi) 第二章熱-力特性的有限元分析方 有限元分析方法簡(jiǎn) 有限元分析法的基本思 有限元分析中傳熱的數(shù)學(xué)模 ANSYS軟件的分析流 ANSYS軟件的熱-力特性分 本章小 第三章硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝的熱-力特性模 模型描述和參數(shù)選 有限元模型的建 SAC305釬料的Anand粘塑性本構(gòu)模 模型的單元描 硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝的材料參 溫度循環(huán)條 求解與結(jié)果分 計(jì)算結(jié) 三維堆疊封裝模型中的焊 單個(gè)硅通孔結(jié)構(gòu)封裝的多次溫度循環(huán)分 本章小 第四章硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝的優(yōu)化設(shè) 焊點(diǎn)材料的優(yōu)化選 SiO2絕緣層對(duì)三維堆疊封裝熱應(yīng)力的影 硅通孔尺寸的影 本章小 結(jié) 研究結(jié) 存在的不足之處與進(jìn)一步研究建 參考文 致 第一章緒論流技術(shù)之一。疊層的三維(ThreeDimension,3D)封裝技術(shù)讓封裝從原來(lái)的平面封了垂直方向的堆疊封裝含有硅通孔(ThroughSiliconVia,TSV)結(jié)構(gòu)的三維堆ANSYS軟件進(jìn)行仿真模擬。ANSYS軟件利用的是TSV能達(dá)到的最大密度，而提升的性能等需求的逐步提高則勢(shì)必會(huì)進(jìn)一步增加著地提高性能及設(shè)備的封裝密度[1]。硅通孔結(jié)構(gòu)最開(kāi)始是由WilliamShockley提出1956年度物理學(xué)獎(jiǎng)。下圖1-1是其在1958年申請(qǐng)專(zhuān)利時(shí)的原理圖，展示了硅襯底1-1(b)13的位置即為硅通孔[3]。(a)擴(kuò)散的雜質(zhì)到晶片形成場(chǎng)效應(yīng)或場(chǎng)效應(yīng)晶體 (b)裝置一端的圖1- WilliamShockleyTSV概念TSV結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要硅通孔結(jié)構(gòu)的三維堆疊封裝主要有五個(gè)關(guān)鍵的要素缺點(diǎn)。選擇合適的堆疊方式由很多因素決定，比如尺寸、互聯(lián)密度、平整度、成品率、制作條件等[4]三維封裝的主要鍵合方法有：面對(duì)面(FacetoFace,F2F)鍵合和背對(duì)面(FacetoBack,F2B)鍵合[5]，如圖1-2所示。“面”指的是的有源正面，而“背”則指的是基板背孔指在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(ComplementaryMetalOxideSemiconductorCMOS)之前形成硅通孔，中通孔指在后段制程(Back-endofline,BEOL)之前CMOS之后形成硅通孔，BEOL之后形成硅通孔[7]1-31-4圖1- F2F和F2B的三維鍵合的圖解說(shuō)明圖1- 圖1- 情況下的對(duì)準(zhǔn)都是必要的[8]晶圓背面的基體材料可能是絕緣體上的硅(SilicononInsulatorSoI)也可能是塊狀硅。晶片的基體材料減薄可以降低硅通孔的電阻，改進(jìn)的散熱效果。晶圓減薄主要有四種基本的方法：機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械拋光(ChemicalMechanicalPolishing,CMP)、濕法刻蝕及常壓下游等離子體中腐蝕(AtmosphericDownstreamsma,ADP)、干法化學(xué)刻蝕(DryChemicalEtching,DCE)[9]。TSV圖1- TSV的工藝流程 圖1- 表1- 5-50-0.1-5-0.1-表1- TSV制作設(shè)備硅通孔刻[12]。通孔刻蝕可以使用鐳射鉆孔法或深反應(yīng)離子刻蝕(DeepReactionIronEtching,DRIE)，利用DRIE的方法制作硅通孔是最普遍的法。對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)的新興產(chǎn)品超過(guò)十年的發(fā)展，都是基于有高度氣體解離效應(yīng)的電感耦合等離子體(InductiveCoupledsma，氧化物沉[12]硅通孔填用的兩種硅通孔填充材料[15]表1- 銅鎢鎳√××××√√？-√CTE×√√√√×√特別地，如果采用銅作為填充材料而硅作為襯底材料，為了銅原子在硅襯底基片的減為了晶圓減薄，晶圓裝置（硅轉(zhuǎn)接板）暫時(shí)鍵合在一個(gè)載體晶圓上[17]藝（ECD以及化學(xué)機(jī)械拋光）[12]這和銅CTE3ppm/K17ppm/K）導(dǎo)致了硅通孔中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。這些應(yīng)力[21]校準(zhǔn)）間接測(cè)得。要考慮的硅通孔可靠性的一個(gè)關(guān)鍵因素就是隨著時(shí)間的推移，硅Id三維封裝的仿真模硅通孔結(jié)構(gòu)的三維堆疊的模擬仿真與優(yōu)化對(duì)三維封裝的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。利用軟件進(jìn)行模擬可以顯著地提高三維封裝這種微型化技術(shù)的發(fā)展效盡管由于三維封裝是依靠在不成技術(shù)上而一些嚴(yán)峻的考驗(yàn)，但是其微型化的特點(diǎn)以及具有良好的性能，實(shí)現(xiàn)單個(gè)和多層之間堆疊后的短距離垂直互聯(lián)，使得三維封裝具有很大的研究?jī)r(jià)值。然而因?yàn)楣柰缀臀⑿屯裹c(diǎn)的體系的研究。他們建立了三維封裝的仿真模擬模型，這個(gè)模型是在熱循環(huán)加載以及彎確保單位面積內(nèi)一定數(shù)量的I/O并減小電阻。與單層結(jié)構(gòu)相比，垂直多層結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)析來(lái)檢測(cè)銅柱凸點(diǎn)和Sn-3.5Ag焊點(diǎn)的不同模型的鍵合界面的熱力學(xué)應(yīng)力的改變[23]。在微電子的3D轉(zhuǎn)接板技術(shù)中用到了模擬晶元或者很薄的的彎曲分析在倒裝封裝中大型里可以包含小直徑(65μm80μm)的銅柱凸點(diǎn)。而要做到這一點(diǎn)必須控制凸點(diǎn)的變形及其微觀結(jié)構(gòu)尤其是需要避免在大于等于410mm2時(shí)發(fā)現(xiàn)凸點(diǎn)等缺陷。同時(shí)也通過(guò)溫度循環(huán)證實(shí)了在大/倒裝封裝設(shè)備中銅柱凸點(diǎn)的可靠性[25]ANSYS(TSV)結(jié)構(gòu)三維(3D)堆疊封裝的有限元模型TSV結(jié)構(gòu)三維封裝系統(tǒng)在不同服役條件下（包括溫度循環(huán)TSV幾何形狀、尺寸以及封裝材料（焊點(diǎn)材料）等第二章熱-現(xiàn)在對(duì)單以及多封裝的熱設(shè)計(jì)軟件有多種，ANSYS軟件作為以有限元分有限元分析法的基本思20世紀(jì)四十年代的時(shí)候提出，但是當(dāng)時(shí)的計(jì)算主要是靠有限元法的基本思想就是要把所分析的一個(gè)物體假想地分為一個(gè)由有限個(gè)單元構(gòu)成的組合體，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為離散化。這些被分割的單元只在它們的各個(gè)頂角相互連接，也不能夠互相所以各個(gè)單元間遞內(nèi)力也是只能夠通過(guò)結(jié)點(diǎn)的作用而這有限元分析中傳熱的數(shù)學(xué)模ρc????=??

????)+

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(2-

??????

??????

?? 部熱源的密度；c是材料的比熱容；t是時(shí)間。x、y、z方向單位時(shí)間內(nèi)傳入該物體的熱量，方程右邊的最??2??+??2??+??2??+??????= 溫度邊界條件。即第一類(lèi)邊界條件，給定了邊界上溫度分布的大小，即????=??0(??, ,熱流邊界條件。即第二類(lèi)邊界條件，給出了邊界上熱流的密度分度，即

=

(2-式中：n指的是熱流的方向，也就是邊界的外法線所指的方向，q0是已知的邊界熱流的換熱邊界條件。即第三類(lèi)邊界條件，給出了介質(zhì)同邊界之間換熱的大小

+??(???

)= (2-式中：Tm是介質(zhì)的溫度，α是換熱系數(shù)。

+??(???

)?

= (2-ANSYS本文利用的是ANSYS軟件的MechanicalAPDL模塊來(lái)進(jìn)行硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊芯模型可以使用ANSYS自帶的功能進(jìn)行建模，也可以先利用其它軟件（如CAD、Pro/E、Solidworks等）ANSYSANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(AnsysParameterDesignLanguageAPDL)編程進(jìn)行建模。建立的模型可以根據(jù)需要選SOLUTION求解器中選取相應(yīng)的分析類(lèi)型以及POST1POST26時(shí)間歷程后示在某一選定時(shí)間點(diǎn)選擇模型的求解結(jié)果，POST26適用顯示模型上某一選定點(diǎn)在整個(gè)本文將利用SS15.0軟件對(duì)硅通孔結(jié)構(gòu)三堆疊封裝的熱-力特性進(jìn)行仿模擬，同時(shí)會(huì)對(duì)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出一些建議。ANSYS軟件的熱-ANSYS軟件進(jìn)行的熱-?????=???+?????+????? 其中：Q為熱量，W為做功，ΔU為系統(tǒng)的內(nèi)能，ΔKE為系統(tǒng)的動(dòng)能，ΔPE為系統(tǒng)的勢(shì)在大多數(shù)工程領(lǐng)域的傳熱問(wèn)題研究中，ΔKEΔPE0，同時(shí)也認(rèn)為是沒(méi)有做功W0，最后上述方程簡(jiǎn)化為：Q=ΔU。的系統(tǒng)的熱量。在瞬態(tài)的熱分析中：??=????q溫度，T0F(a,ΔT)。第二，物體在溫度變化是受到的約束第三章硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝的熱-力特性模電阻值也隨之而提高，導(dǎo)致訊號(hào)無(wú)法傳遞，最終使得失效。影響硅通孔結(jié)構(gòu)中熱應(yīng)形狀和尺寸等。由于硅通孔很小，又具有復(fù)雜的電熱力耦合作用，利用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可ANSYS這種在該領(lǐng)域使用很廣泛的有限元分構(gòu)的三維堆疊封裝的熱-力性能方面的問(wèn)題進(jìn)行快速判斷并通過(guò)分析進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。層和擴(kuò)散阻擋層的影響，在模型中TSV結(jié)構(gòu)僅為填充金屬；3）暫且不考慮印制銅線等建立一個(gè)三層5×5全陣列的堆疊模型為研究對(duì)象，硅通孔的半徑為5μm，高度為50μm，間距為100μm，焊點(diǎn)為腰鼓狀，高度為10μm，焊點(diǎn)與的接觸角為15，500μm×500μm×180μm600μm×600μm×60μm。因?yàn)樵撃Ｐ途哂辛己玫膶?duì)稱(chēng)性最初先建立四分之一硅通孔結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖3-1所示，整體堆疊的模型如圖3-2所示。該模型中的焊點(diǎn)部分采用的是Anand粘塑性本構(gòu)模型，材料的單元類(lèi)型的選擇是VISCO107，硅通孔部分、以及基板的材料模型均為圖3- 圖3- 通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3-3所示；圖中展示了整體有限元模型、四分之一硅通孔結(jié)構(gòu)、印制電路板（PCB基板、硅片、硅通孔以及焊點(diǎn)的網(wǎng)格劃分情況。整個(gè)模型含有的單元總數(shù)為175800個(gè)。 PCB基板（FR-4板）的網(wǎng)格劃 圖3-3 硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝模型的網(wǎng)格劃分SAC305釬料的Anand粘塑ANSYS軟件對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行有限元方法分析計(jì)算焊點(diǎn)內(nèi)部的應(yīng)力以及應(yīng)變的狀態(tài)的變化。模擬中焊點(diǎn)用到的材料是Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)，其為217C(490K)[26]，而測(cè)試所用到的溫度（模擬其工作溫度）達(dá)到焊料的0.61倍，焊等[27]1982年利用金屬的高溫變形機(jī)理并通過(guò)單一的內(nèi)部變量描述所分析材料的非彈（使用該模型可以減少有限元模擬消耗的時(shí)間。在求解高度非線性的有限元問(wèn)PU時(shí)間。而利用該模型在求解時(shí)，不會(huì)嚴(yán)格限制每一個(gè)實(shí)踐步長(zhǎng)的非彈性變形量，可以減少消耗的時(shí)間，從而更加穩(wěn)定迭代計(jì)算的過(guò)程。Anand本構(gòu)方程能夠較為全面地展示材料與溫度、載荷加載速度、加工硬化及動(dòng)態(tài)晶粒的尺寸效應(yīng)、固溶強(qiáng)化等的關(guān)系。下式（3-1）到式（3-4）Anand方程，如下

(3- ??(3-=A(m√sinh(ξσ/s))exp ????={?(|??|??)??}

(3-

B=1?

(3-??=

exp

(3-其中，式（3-1）為流動(dòng)方程，式（3-2）dεp/dt是等效塑性應(yīng)變率；Q/k是Boltzmann激活能；σs成線性相關(guān)；ξ是應(yīng)力系數(shù)；m是應(yīng)變率敏感指數(shù)；A是常數(shù)；h0是硬化常數(shù)；a是應(yīng)變率敏感指數(shù)；s*s的飽和值；?是變形阻抗飽和值的系數(shù)；T是絕對(duì)溫度；n是飽和值應(yīng)變率的敏感指Anand9s0（s的初始值、Q、A、ξ、m、h0、?、n、a9個(gè)參數(shù)就可以利用有限元分析的方法模擬焊點(diǎn)部分的應(yīng)模型的單元描SOLID186203-4所示。該種單元xyz三個(gè)方向的平移自由度。SOLID186圖3- SOLID186實(shí)體單VISCO1073-5所示。擁8x、y、z三個(gè)方向的平移自由度，可根對(duì)焊點(diǎn)的分析是利用Anand粘塑性本構(gòu)模型，因此選擇了VISCO107單元。圖3- VISCO107實(shí)體單硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝的材料參SAC3053-6所示。圖3- 所分析的硅通孔結(jié)構(gòu)的三維堆疊封裝中所用到材料的屬性如表3-1、表3-2所Anand9個(gè)材料參數(shù)。表3- EγCu(表3- SAC305焊料的Anand粘塑性本構(gòu)模型用到的材料參數(shù)s0-A(sξmh0nα2本文進(jìn)行有限元模擬時(shí)的載荷條件是根據(jù)電子工程設(shè)計(jì)發(fā)展(ointEletronviceEngineringounil，EE)2009ES2-D的溫度循環(huán)確定，該溫度循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)是用來(lái)試驗(yàn)確定組件或互聯(lián)器件在受到交替溫度的極限變化時(shí)對(duì)其所產(chǎn)25℃，27325125℃，升1801255min125℃降溫至-405min，在-40℃保5min，最后從-402510在-40℃~1251903-7所示。 TIME TEMPERATURETEMPERATURE0--圖3- 計(jì)算結(jié)ANSYSAPDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言建立了上述的硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊了表征。通過(guò)通用后處理/POST1查看該模型的等效應(yīng)力分布和等效應(yīng)變分布的云圖，3-83-9所示。維堆疊封裝模型點(diǎn)的等效應(yīng)力的最大值是186.0MPa，最小值是429.5Pa，等效塑性應(yīng)變的最大值為0.043μm，模型的最大位移是0.053μm。該模型的等效應(yīng)力分布圖3- 圖3- X軸方向的位 Y軸方向的位 Z軸方向的位移 圖3-10 結(jié)構(gòu)中 經(jīng)過(guò)一熱循環(huán)后的位移得到解釋。圖3-10是有限元模擬得到的在經(jīng)歷一次熱循環(huán)后在不XYZ方向的位移則會(huì)三維堆疊封裝模型中的焊因?yàn)楹噶显跍囟妊h(huán)過(guò)會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，它的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)相對(duì)復(fù)雜，所以整個(gè)封裝模型的模擬結(jié)果是以節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力表征的。從硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封孔和和焊點(diǎn)的界面處。硅通孔里面的填充材料銅以及部分硅的力學(xué)性能相對(duì)焊點(diǎn)處無(wú)鉛焊料SAC305而言會(huì)更高一些，所以在封裝互聯(lián)中焊點(diǎn)的位置往往是最 圖3-11 3-圖3- 3-圖3- X軸方向的應(yīng)力分 Y軸方向的應(yīng)力分 Z軸方向的應(yīng)力分布 圖3-15 58.2Pa（3-12。地方，最大值達(dá)到了58.2MPa。圖3-13和圖3-14分別展示了焊點(diǎn)在歷經(jīng)一次溫度循環(huán)以后的位移情況和等效應(yīng)變分布，圖3-15則展示了焊點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向的應(yīng)力分布云圖和等效應(yīng)力分布的結(jié)果焊點(diǎn)在最拐角處主要是因?yàn)樵跍囟茸兓倪^(guò)，和PCB板都朝著中心約束方向在收縮，而PCB板的熱膨脹系數(shù)比的熱膨脹系數(shù)大很多，所以PCB板較而言會(huì)產(chǎn)生更大的收縮量，從而導(dǎo)致了焊點(diǎn)的環(huán)加載下的位置。。3-16所示。圖3- 圖 圖3- 圖3- 3-175176.6MPa0.00199μm284.3MPa0.00228μm389.3MPa0.00247μm492.6MPa0.00262μm595.0MPa0.00274μm3-183-19分別展示了五次溫度循環(huán)最大等效應(yīng)力值和最大位移的表明封裝結(jié)構(gòu)在服役過(guò)使用的次數(shù)越多，受到熱循環(huán)的加載后就越易出現(xiàn)裂紋、ANSYSAPDL參數(shù)化編程語(yǔ)言建立了一個(gè)三層VISCO107SOLID186單元，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以后施加相應(yīng)的第四章硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝的優(yōu)化設(shè)在第三章中已經(jīng)對(duì)一個(gè)三層的5×5全陣列的硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊模型進(jìn)行了模擬分析，也找出了在整個(gè)封裝模型中可靠性的部位，這是最有可能導(dǎo)致封裝系統(tǒng)受到熱應(yīng)力作用的主要原因就是封裝中所用到的材料的熱膨脹系數(shù)的差同的焊點(diǎn)材料的使用對(duì)硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝熱-力性能的影響。在第三章的模擬中，焊點(diǎn)部分的材料用到的是S305，在本節(jié)將焊點(diǎn)部分的材料替換為Sn-.5ASn-3.5Ag共晶合金。雖然該系的焊料具有良好的潤(rùn)濕性和力學(xué)性能，但是因?yàn)锳gSn-3.5Ag是96.5%的Sn3.5%Ag，主要應(yīng)用在回流焊的工藝中。4-2SAC305Sn-3.5AgAnand粘塑性表4-1硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝中的材料參EγCu(表4- SAC305焊料的Anand粘塑性本構(gòu)模型用到的材料參數(shù)s0A(sξmh0nα2Sn-3圖4- 焊料為Sn-3.5Ag的封裝的等效應(yīng)力分布圖4- 焊料為Sn-3.5Ag的封裝的等效應(yīng)變分布X軸方向的位 Y軸方向的位 Z軸方向的位移 圖4-3 圖4- 圖4- 圖4- X軸方向的應(yīng)力分 Y軸方向的應(yīng)力分 Z軸方向的應(yīng)力分布 圖4-7 如圖4-1和4-2所示根據(jù)SS軟件對(duì)焊料為Sn-3.5Ag的封裝模型的計(jì)算結(jié)果圖4-3是有限元模擬得到的在經(jīng)歷一次熱循環(huán)后在不同方向產(chǎn)生的位移和總的位移在經(jīng)過(guò)一次溫度循環(huán)后整個(gè)硅通結(jié)構(gòu)的三維堆疊封裝模型點(diǎn)的等473.0P362.7P0.021μm，0.031μm力水平大多數(shù)都很小同樣地如圖4-4展示了焊點(diǎn)的位置及其等效應(yīng)力分布云圖，圖4-5和圖4-6分別展示了焊點(diǎn)在歷經(jīng)次溫度循環(huán)以后的位移分布和等效應(yīng)變分布，圖4-7則展示了焊在、Z個(gè)方向的應(yīng)力分布情況和等效應(yīng)力分布的190.0Pa52.1Pa473.0P473.0MPa即此處是整個(gè)模型可靠性的部位，可以將稱(chēng)此處為該封裝模型在熱循環(huán)加載下的位置。與焊料為SAC305的封裝模型的模擬結(jié)果比較，焊料為Sn-3.5Ag的封裝造成結(jié)果的不同主要是因?yàn)镾n-3.5Ag和SAC305力學(xué)性能的不同。查閱資料，可以知道，伴隨著熱循環(huán)的周期次數(shù)的增加，SAC305和Sn-3.5Ag的剪加量最慢。在溫度循環(huán)整個(gè)結(jié)束之后，Sn-3.5Ag的熱疲勞是最大的，SAC305的壽命最低，說(shuō)明使用Sn-3.5Ag作為焊料能夠?yàn)檎麄€(gè)封裝系統(tǒng)帶來(lái)更高的可靠性[29]。TSV結(jié)構(gòu)僅為填充金屬的基礎(chǔ)上建立的。擴(kuò)散阻擋層主要是用來(lái)阻擋銅原子在銅硅界面處擴(kuò)散到硅中去，往往是Ta和Ti的氮化節(jié)的模型中考慮將介質(zhì)層加入模型中進(jìn)行分析比較。硅通孔結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)層一般選用SiO2材料。5×5全500μm×500μm×180μm600μm×600μm×60μm。因?yàn)樵撃Ｐ途哂辛己玫膶?duì)稱(chēng)性最初先建立四分之一硅通孔結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖4-8所示，整體堆疊的模型如圖4-9所示。對(duì)建立好的含有介質(zhì)層的硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆封裝模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4-10所示，分別展示了整體有限元模型、四分之一硅 圖4- 圖4- 介質(zhì)層的網(wǎng)格劃圖4- 層變形均為彈性變形，而焊點(diǎn)部分用到的材料SAC305為粘塑性變形。這五種材料的分布4-11所示。圖4- 表4-3是在模型中加入介質(zhì)層SiO2后封裝模型進(jìn)行有限元模擬分析時(shí)用表4- EγCu(圖4- 圖4- X軸方向的位 Y軸方向的位 Z軸方向的位移 圖4-14 圖4- 圖4- 圖4- X軸方向的應(yīng)力分 Y軸方向的應(yīng)力分 Z軸方向的應(yīng)力分布 圖4-18 如圖4-12和4-13所示，根據(jù)ANSYS軟件對(duì)加入介質(zhì)層SiO2的硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝模型的計(jì)算結(jié)果，圖4-14是有限元模擬得到的在經(jīng)歷一次熱循環(huán)堆疊封裝模型點(diǎn)的等效應(yīng)力的最大值是56.3MPa，最小值是89.7Pa，等效塑性0.022μm0.32μm。該模型的等效應(yīng)力分布云圖的點(diǎn)的位置及其等效應(yīng)力分布云圖，圖4-16和圖4-17分別展示了焊點(diǎn)在歷經(jīng)一次溫度循環(huán)以后的位移分布和等效應(yīng)變分布，圖4-18則展示了焊點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方34.9MPa。下層陣列（與基板接觸的那層）的處于對(duì)角線位置最靠近外側(cè)的焊點(diǎn)的34.9MPa。由此推斷，此處為交界面分層等缺陷，即此處是整個(gè)模型可靠性的部位，可以將稱(chēng)此處為該封裝模型在熱循環(huán)加載下的位置。與沒(méi)有層的封裝模型相比較，加入了SiO2層后的硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝模型的等效應(yīng)力最大值從186.0MPa降至56.3MPa，降低了69.7%，等效429.5Pa89.7Pa79.1%0.053μm降為了0.032μm，降低了39.6%，這表明在模型中加入SiO2介質(zhì)層有利于提高封5μm3μm，并進(jìn)行模擬分析比較。通孔結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖4-19所示。整體堆疊的模型如圖4-20所示。可圖4- 硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊的整體模4-214-22ANSYS軟件對(duì)縮小硅通孔半徑的硅通孔結(jié)構(gòu)三維堆疊封裝模型的計(jì)算結(jié)果，圖4-23是有限元模擬得到的在經(jīng)歷一次熱循環(huán)后封裝模型點(diǎn)的等效應(yīng)力的最大值是130.0MPa，最小值是131.1Pa，等效塑性應(yīng)變的最大值為0.026μm，模型的最大位移為0.043μm。該模型的等效應(yīng)力分布云圖的主要顏色為藍(lán)色，表示其等效應(yīng)力水平大多數(shù)都很小。同樣地，圖4-24展示了焊點(diǎn)的位置及其等效應(yīng)力分布云圖，圖4-25和圖4-26分別展示了焊點(diǎn)在歷經(jīng)一次溫度循環(huán)以后的位移分布和等效應(yīng)變分布，圖4-27則展示了焊點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向點(diǎn)仍然是等效應(yīng)力水平最高的地方，其最大的等效應(yīng)力值達(dá)到了56.8MPa。由此推斷， 為該封裝模型在熱循環(huán)加載下的位置圖4- 圖4- X軸方向的位 Y軸方向的位 Z軸方向的位移 圖4-23 圖4- 圖4- 圖4- X軸方向的應(yīng)力分 Y軸方向的應(yīng)力分Z軸方向的應(yīng)力分布 圖4-27 圖4-28 圖4-28展示了一次溫度循環(huán)過(guò)等效應(yīng)力的變化過(guò)程可以看出等效應(yīng)力的值范圍是180s480s，最低溫度為-40℃，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為780s1080s。如圖4-28(a)到(b)的過(guò)時(shí)間從180s增加到480s，溫度保持著125℃，而最大等效應(yīng)力值從27.5MPa降到了16.6MPa；從圖(b)到(c)的過(guò)，時(shí)間從480s增加到780s，溫度從125℃降至-40℃，最大等效應(yīng)力值從16.6MPa迅速增加到98.0MPa；從圖(c)到(d)的過(guò)，時(shí)間1080s與半徑為5μm的硅通孔模型相比半徑為3μm硅通孔的封裝具有更小的等效SAC305變換為Sn-3.5AgSn-3.5Ag釬料比SAC305有更高的熱疲勞，但其材料價(jià)格更高。在硅通孔結(jié)構(gòu)中加入層之后，整個(gè)封裝系統(tǒng)的等效應(yīng)力值和等效塑性應(yīng)變值均減小，這表明加入層后有利于提高封裝結(jié)構(gòu)的結(jié)本文主要利用ANSYS軟件通過(guò)有限元分析法對(duì)硅通孔結(jié)構(gòu)的三維堆疊封裝的的可靠性通過(guò)改變焊點(diǎn)的材料在硅通孔與的界面增加SiO2介質(zhì)層以及縮小在研究中通過(guò)ANSYS5×5的位置，這主要是因?yàn)樵跍囟茸兓倪^(guò)，和PCB板都朝著中心約束方向在收縮，而PCB板的熱膨脹系數(shù)比的熱膨脹系數(shù)大很多，所以PCB板較而言在優(yōu)化設(shè)計(jì)部分，研究結(jié)果表明將焊點(diǎn)材料從SAC305換為Sn-3.5Ag后，等效應(yīng)力值雖然增加，但等效塑性應(yīng)變值減小；綜合比較來(lái)看，焊點(diǎn)采用Sn-3.5Ag釬料較SAC305有更高的熱疲勞，但前者價(jià)格更高；在硅通孔結(jié)構(gòu)中增加SiO2介質(zhì)186.0MPa56.3MPa69.7%，等效應(yīng)力的最429.5Pa89.7Pa79.1%0.053μm降為0.032μm，降低了39.6%，這表明在模型中加入SiO2介質(zhì)層有利于提高封裝結(jié)構(gòu)TopolAW,LaTulipeDC,ShiL,etal.Three-dimensionalintegratedcircuits[J].IBMJournalofResearchandDevelopment,2006,50(4.5):491-506.MotoyoshiM.Through-siliconvia(TSV)[J].ProceedingsoftheIEEE,2009,97(1):43-WilliamShockley.SemiconductiveWaferandMethodofMakingtheSame[p].USPatent:3,044,909,filedonOctober23,1958andgrantedonJuly17,1962.KnickerbockerJU,AndryPS,DangB,etal.3Dsiliconintegration[C].58thElectronicComponentsandTechnologyConference(ECTC),IEEE,2008:538-543.XieY.Processorarchitecturedesignusing3Dintegrationtechnology[C].VLSIDesign,IEEE,2010:446-MarinissenEJ,ZorianY.Testing3Dchipscontainingthrough-siliconvias[C].InternationalTestConference(ITC),IEEE,2009:1-11.ChenDY,ChiouWC,ChenMF,etal.Enabling3D-ICfoundryfor28nmnodeandbeyond:through-silicon-viaintegrationwithhighthroughputdie-to-waferstacking[C].InternationalElectronDevicesMeeting(IEDM),IEEE.2009:7-9WindrichF,SchenkeA.FronttobacksidealignmentforTSVbased3Dintegration[C].3DSystemsIntegrationConference(3DIC),IEEE,2013:1-6.KnickerbockerJU,AndryPS,DangB,etal.Three-dimensionalsiliconintegration[J].IBMJournalofResearchandDevelopment,2008,52(6):553-569.SalahK.TSV-based3Dintegrationfabrication:Anoverview[C].InternationalDesign&TestSymposium(IDT),IEEE,2014:253-256.CivaleY,SabuncuogluTezcanD,PhilipsenHGG,etal.Diestackingusing3D-waferlevelpackagingcopper/polymerthrough-siviatechnologyandCu/Sninterconnectbum[C].3DSystemIntegration,IEEE,2009:1-4.RamaswamiS,DukovicJ,EatonB,etal.Processintegrationconsiderationsfor300mmTSVmanufacturing[J].DeviceandMaterialsReliability,TransactionsonIEEE,2009,9(4):524-528.PuechM,ThevenoudJM,GruffatJM,etal.Fabricationof3DpackagingTSVusingSymposiumonDesign,Test,IntegrationandPackagingofMEMS/MOEMS.IEEE,2008:109-WolfMJ,RammP,KlumppA,etal.for3DwaferlevelheterogeneousSymposiumonDesign,Test,IntegrationandPackagingofMEMS/MOEMS.IEEE,2008:123-GuSQ,RayU,LiY,etal.3DTSVintegrationtechnologychallengesforhighvolumeproductionfromfablesssupplychainaspect[C].InternationalInterconnectTechnologyConference(IITC),IEEE,2010:Uk-SongK.Semiconductorpackagehavingmemorydevicesstackedonlogicdevice[p].USPatent:7,834,450,2010-11-16.HuyghebaertC,VanOlmenJ,CivaleY,etal.CutoCuinterconnectusing3D-TSVandwafertowaferpressionbonding[C].InternationalInterconnectTechnologyConference(IITC),IEEE,2010:1-MerchaA,VandersG,MorozV,etal.Comprehensiveysisoftheimpactofsingleandarraysofthroughsiliconviasinducedstressonhigh-k/metalgateCMOSperformance[C].InternationalElectronDevicesMeeting(IEDM),IEEE,2010:2.2.1-2.2.4.DeWolfI,SimonsV,ChermanV,etal.In-depthRamanspectroscopyysisofvariousparametersaffectingthemechanicalstressnearthesurfaceandbulkofCu-TSVs[C].62thElectronicComponentsand