三维电子封装关键结构TSV-Cu的胀出行为研究

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3D IC-TSV技术与可靠性研究

3D IC-TSV技术与可靠性研究

3D IC-TSV技术与可靠性研究摘要:对三维(3 Dimension,3D)堆叠集成电路的硅通孔(Through Silicon Via,TSV)互连技术进行了详细的介绍,阐述了TSV的关键技术与工艺,比如对准、键合、晶圆减薄、通孔刻蚀、铜大马士革工艺等。

着重对TSV可靠性分析的重要性、研究现状和热应力分析方面进行了介绍。

以传热分析为例,实现简单TSV模型的热仿真分析和理论计算。

最后介绍了TSV技术市场化动态和未来展望。

关键词: 3D-TSV;通孔;晶圆减薄;键合;热可靠性0 引言随着半导体制作工艺尺寸缩小到深亚微米量级,摩尔定律受到越来越多的挑战。

首先,互连线(尤其是全局互连线)延迟已经远超过门延迟,,这标志着半导体产业已经从“晶体管时代”进入到“互连线时代”。

为此,国际半导体技术路线图组织(ITRS)在 2005 年的技术路线图中提出了“后摩尔定律”的概念。

“后摩尔定律”将发展转向综合创新,而不是耗费巨资追求技术节点的推进。

尤其是基于TSV(Through Silicon Via)互连的三维集成技术,引发了集成电路发展的根本性改变。

三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)可以将微机电系统(MEMS)、射频模块(RF module)、内存(Memory)及处理器(Processor)等模块集成在一个系统内[1],,大大提高了系统的集成度,减小了功耗,提高了性能,因此被业界公认为延续摩尔定律最有效的途径之一,成为近年来研究的热点。

目前3D集成技术主要有如下三种:焊线连接(Wire-Bonding)、单片集成(Monolithic Integration)和TSV技术[2]。

焊线连接是一种直接而经济的集成技术,但仅限于不需要太多层间互连的低功率、低频的集成电路。

单片集成是在同一个衬底上制作多层器件的新技术,它的应用受到工艺温度要求很高和晶体管质量较差等约束。

硅通孔三维封装技术研究进展

硅通孔三维封装技术研究进展
YANG Ba ng — c ha o, HU Yo n g — d a
( S t a t e k e y L a b o r a t o r y o f E l e c t r o n i c T h i n F i l ms a n d I n t e g r a t e d D e v i c e s , U E S T C ,C h e n g d u 6 1 0 0 5 4 , C h i n a )
Ab s t r a c t : T h e e m e r g i n g t h r o u g h s i l i c o n v i a( T s V)t e c h n o l o g y e n a b l e s 3 D s t a c k i n g o f I C s , w h i c h h e l p s t o
第 5期 2 0 1Байду номын сангаас4年 1 0月
中 詹雷; 研譬 研宝 陂学极
J o u r n a l o f C AE I T
V 0 1 . 9 N o . 5 Oc t .2 0 1 4
d o i : 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 6 7 3 - 5 6 9 2 . 2 0 1 4 . 0 5 . 0 0 7
c o n t i n u e mi n i a t u r i z i n g i n t e g r a t e d s y s t e m a n d i n c r e a s i n g f un c t i o n a l i t y .Ef f e c t i v e t h e r ma l c o o l i n g f o r h i g h p o we r

三维集成封装中的TSV互连工艺研究进展

三维集成封装中的TSV互连工艺研究进展
Abstract:To m eet the grow ing trend of M oore’S Law,chip technology has com e ‘‘M ore than M oore’’era of 3D integration.Further m iniaturization of electronic system s and perform ance,3D integration solution is
收稿 日期 :2012—06 28
一 1.
第12卷第9期
电 子 与 封 装
电气互连性 能 ,提升 芯片运 行速 度 ,降低芯 片的功 耗 、设计难度和成本。
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 。 与以往IC封装键合和使用 凸点的叠加 技术不同 ,TSV 能 够使芯 片在 三维方 向堆 叠的 密度最 大 ,外 形尺 寸 最 小 ,大 大 改善芯 片速度 和低功 耗的 性能 。它也 被 称 为继键合 、TAB和倒装焊之后的第四代封装技术。 目前成为 电子封装技术 中最引人注 目的一种技术 。
第 12卷 ,第9期 VOI 1 2. N O来自9 电 子 与 封 装
ELECTR0 NICS & PACKA G IN G
总 第 11 3期 20l2年 9月
⑩ @ @鳓 ⑩ 霉
三维 集成封装 中的TSV互连 工艺研 究进展
吴 向 东
(中国电子科技集团公司第43研究所 ,合肥 230088)
needed more and more.As for the demand—driven,the through—silicon vias (TSV)interconnect technology

TSV可靠性综述

TSV可靠性综述

0引言三维集成封装技术被公认为是超越摩尔定律的第四代封装技术。

硅通孔(Through Silicon Via ,TSV)技术是三维封装技术的关键[1]。

摩尔定律指出,硅片上的晶体管数量大约每两年翻一番[2]。

然而,由于晶体管的缩放比例和漏电的限制[3],摩尔定律不能永远持续下去。

随着晶体管尺寸越来越小,晶体管数量越来越多,晶体管之间的间距也越来越小。

最终会引起量子隧穿效应,电子会在两根金属线之间隧穿,导致短路[4-5]。

因此,存在一个极限,超过这个极限,摩尔定律将失效。

一种实现突破传统摩尔定律的封装摩尔定律被提出,封装摩尔定律是基于三维集成封装技术提出的[6]。

TSV 技术是指在硅片上进行微通孔加工,在硅片内部填充导电材料,通过TSV 技术实现芯片与芯片之间的垂直互连,是三维封装技术的关键技术[7-8]。

与传统的金丝键合相比,TSV 的优点是节省了外部导体所占的三维空间。

TSV 技术可以使微电子芯片封装实现最紧密的连接和最小的三维结构。

此外,由于芯片之间的互连线长度的缩短,大大降低了互连延迟,从而提高了运行速度。

并且由于互连电阻的降低,电路的功耗也大大降低[9]。

TSV 不仅广泛地应用于信息技术,而且在飞机、汽车和生物医学等新领域都得到了广泛的应用,因为三维大规模集成电路具有很多优势,如高性能、低功耗、多功能、小体积[10]。

TSV 是一种颠覆性技术,被认为是实现“超越摩尔定律”的有效途径,在未来主流器件的设计和生产中会得到广泛应用。

1TSV 可靠性概述随着三维集成封装技术的发展,TSV 技术已成为三维堆叠封装中最关键的技术之一。

作为芯片与芯片之间重要的物理连接和电气连接,TSV 的可靠性无疑是决定TSV 可靠性综述王硕1,马奎1,2,杨发顺1,2(1.贵州大学大数据与信息工程学院,贵州贵阳550025;2.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心,贵州贵阳550025)摘要:对硅通孔(Through Silicon Via ,TSV)技术的可靠性进行了综述,主要分为三个方面:热应力,工艺和压阻效应。

三维封装技术提升芯片集成度研究

三维封装技术提升芯片集成度研究

三维封装技术提升芯片集成度研究三维封装技术,作为半导体产业中的一项革命性创新,正逐步重塑集成电路的设计、制造与应用模式。

随着摩尔定律逐渐逼近物理极限,传统的二维平面集成技术在提高芯片性能和降低成本方面的效能日益减弱。

三维封装技术,通过垂直堆叠芯片或在芯片间建立密集互连,打破了平面扩展的限制,实现了更高的集成密度、更短的信号传输路径及更强的计算能力,为持续提升芯片性能开辟了新的途径。

以下从六个方面深入探讨三维封装技术如何促进芯片集成度的飞跃。

一、三维封装技术的基本原理与类型三维封装技术基于多种不同的实现方式,主要包括硅通孔(Through-Silicon Vias, TSV)、微凸点互联(Micro Bumps)、芯片堆叠(Chip Stacking)及中介层(Interposer)技术等。

其中,TSV技术通过在硅片中直接钻孔并填充导电材料形成垂直通道,实现芯片间的直接电气连接,极大缩短了信号传输距离,降低了延迟和功耗。

微凸点互联则为芯片间提供了灵活的机械和电气连接点,而芯片堆叠允许不同功能的芯片直接堆叠,形成高度集成的系统级封装(System-in-Package, SiP)。

中介层技术则作为高性能芯片之间的桥梁,扩展了互连面积,提升了集成复杂度。

二、提升集成密度与计算能力三维封装技术最直观的优势在于显著提升芯片的集成密度。

通过垂直整合多个裸片,可以在更小的空间内封装更多的晶体管,进而增加单个封装体的计算能力和存储容量。

这对于大数据处理、、高性能计算等领域尤为重要,能够有效应对数据爆炸式增长带来的处理需求,同时减少系统尺寸,提升能效。

三、缩短信号传输路径与降低功耗传统的二维芯片设计中,信号需跨越长距离的印刷电路板(PCB)进行互连,这不仅增加了信号延迟,也导致了能量损失。

三维封装技术通过直接在芯片之间建立垂直连接,显著缩短了信号传输路径,降低了信号传输延迟,减少了能耗。

特别是在高速数据交换的应用中,这一优势尤为明显,可提高系统整体的响应速度和能源效率。

详解TSV(硅通孔技术)封装技术

详解TSV(硅通孔技术)封装技术

详解TSV(硅通孔技术)封装技术硅通孔技术(Through Silicon Via,TSV)技术是一项高密度封装技术,正在逐渐取代目前工艺比较成熟的引线键合技术,被认为是第四代封装技术。

TSV 技术通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充,实现硅通孔的垂直电气互连。

硅通孔技术可以通过垂直互连减小互联长度,减小信号延迟,降低电容/ 电感,实现芯片间的低功耗,高速通讯,增加宽带和实现器件集成的小型化。

基于TSV 技术的3D 封装主要有以下几个方面优势:1)更好的电气互连性能,2)更宽的带宽,3)更高的互连密度,4)更低的功耗,5)更小的尺寸,6)更轻的质量。

TSV 工艺主要包括深硅刻蚀形成微孔,绝缘层/阻挡层/种子层的沉积,深孔填充,化学机械抛光,减薄、pad 的制备及再分布线制备等工艺技术。

主要工艺包括几个部分:(1)通孔的形成;(2)绝缘层、阻挡层和种子层的淀积;(3)铜的填充(电镀)、去除和再分布引线(RDL)电镀;(4)晶圆减薄;(5)晶圆/芯片对准、键合与切片。

TSV 深孔的填充技术是3D 集成的关键技术,也是难度较大的一个环节,TSV 填充效果直接关系到集成技术的可靠性和良率等问题,而高的可靠性和良率对于3D TSV 堆叠集成实用化是至关重要的。

另外一个方面为在基片减薄过程中保持良好的完整性,避免裂纹扩展是TSV 工艺过程中的另一个难点。

目前主要的技术难点分为几个方面:(1)通孔的刻蚀激光刻蚀、深反应离子刻蚀;(2)通孔的填充材料(多晶硅、铜、钨和高分子导体等)和技术(电镀、化学气相沉积、高分子涂布等);(3)工艺流程先通孔或后通孔技术;(4)堆叠形式晶圆到晶圆、芯片到晶圆或芯片到芯片;(5)键合方式直接Cu-Cu 键合、粘接、直接熔合、焊接和混合等;(6)超薄晶圆的处理是否使用载体。

目前,3D-TSV 系统封装技术主要应用于表1 TSV 三维封装应用领域经过数年研发,目前形成具有高良率、不同深宽比结构、高密度微孔、高导通率的3D 封装硅基转接板,可以广泛应用于射频、存储等芯片的三维封装领域。

面向三维集成的TSV制备与铜纳米结构低温键合技术研究

面向三维集成的TSV制备与铜纳米结构低温键合技术研究

面向三维集成的TSV制备与铜纳米结构低温键合技术研究微电子产业在过去几十年遵循摩尔定律持续不断发展,然而,随着电子器件尺寸的减小及芯片集成度的提高,芯片特征尺寸趋近物理极限,传统封装技术已不能解决互连延时和功耗增加等导致的性能和成本问题。

三维集成技术具有高性能、低功耗、低制造成本等优势,有望成为最有发展前景的系统级集成方案。

本文围绕面向三维集成的硅通孔(TSV)及低温键合技术,研究小孔径TSV的刻蚀形貌控制和无孔隙高效镀铜填充、以及铜纳米结构低温键合技术,具体内容包括:一、研究实现小孔径TSV阵列的刻蚀工艺优化和高效镀铜填充。

利用深反应离子刻蚀技术对TSV阵列进行刻蚀,研究刻蚀工艺参数对侧壁粗糙度的影响,分析侧壁大尺度粗糙结构的形成及生长规律,并通过工艺参数的优化成功改善侧壁粗糙度,得到小孔径、高深宽比的TSV阵列。

利用电镀工艺对TSV阵列进行镀铜填充,研究了不同填充工艺条件包括镀前预湿、种子层覆盖、镀液流动性、以及电流密度等对填充质量的影响,并采用分段式电镀方法有效减少了电镀时间和硅片表面过镀层厚度,实现了 TSV高效无缺陷镀铜填充。

二、研究实现了基于铜纳米结构(铜纳米棒、铜纳米线)的Cu/Cu 及Cu/Sn低温键合新方法:(1)利用倾斜法制备了铜纳米棒,分析引入纳米棒后的金属间化合物生长差异性,揭示其作为键合中介层降低键合温度的理论依据,进而提出基于铜纳米棒的低温Cu/Cu及Cu/Sn键合新方法,在250~350 ℃实现了Cu/Cu有效连接,最高键合强度超过20MPa;在150~300 ℃C实现了Cu/Sn可靠连接,并且将键合环境从保护气氛成功扩展到空气环境,最高键合强度超过44.4 MPa。

(2)提出一种低温、无模板直接合成铜纳米线新工艺,采用水热法在铜基底合成Cu(OH)2纳米线,再低温下热分解、氢热还原最终得到铜纳米线。

研究了铜纳米线在不同气氛下的低温熔化行为,揭示其应用于低温Cu/Cu键合的理论依据,并应用于Cu/Cu键合,从而降低了互连熔点及对键合共面性的要求,成功地在150~400 ℃实现了基于铜纳米线的Cu/Cu键合,最高键合强度超过44.4 MPa。

电子铜在微电子封装中的材料相容性研究

电子铜在微电子封装中的材料相容性研究

电子铜在微电子封装中的材料相容性研究引言随着微电子技术的飞速发展,封装材料的相容性成为了微电子行业一个重要的研究领域。

电子铜作为一种常用的导电材料,在微电子封装中起到了至关重要的作用。

本文将探讨电子铜在微电子封装中的材料相容性研究,以及其对封装技术和微电子设备性能的影响。

一、电子铜的特性及应用1. 特性:电子铜具有良好的导电性、热传导性和机械性能,适用于高速、高密度电路的制造。

2. 应用:电子铜广泛应用于微电子封装中的铜填充层、Cu-TSV等关键部件中,以提高封装技术的可靠性和性能。

二、电子铜与其他封装材料的相容性1. 与基板材料的相容性:电子铜需要与基板材料形成良好的结合,以提高封装的可靠性和性能。

因此,研究电子铜与基板材料之间的相容性,对于封装技术的发展是至关重要的。

2. 与封装介质材料的相容性:封装介质材料是微电子封装中起到绝缘和保护作用的材料,而电子铜又是导电材料。

因此,研究电子铜与封装介质材料之间的相容性,对于封装技术的电性性能和可靠性的提升是必要的。

3. 与封装过程中的其他材料的相容性:微电子封装过程中使用的其他材料(如封装胶水、封装填充材料等)需要与电子铜相互配合,以确保封装的一致和高效。

三、电子铜相容性研究方法1. 物理测试方法:包括金相显微镜分析、扫描电子显微镜(SEM)观察等,通过观察电子铜与其他材料的界面形貌,来评估它们之间的相容性。

2. 化学测试方法:包括分析电子铜与其他材料的化学反应,评估它们的相容性和反应性。

3. 机械测试方法:通过拉伸实验、剪切实验等,评估电子铜与其他材料之间的机械结合性和相容性。

四、电子铜相容性研究的意义1. 提高封装技术的可靠性:电子铜与其他封装材料的相容性研究,可帮助工程师选择更合适的材料组合,从而提高封装技术的可靠性和性能。

2. 提升微电子设备的性能:相容性研究可以帮助微电子设备制造商改进封装工艺,提高微电子设备的电性能、热管理和机械强度等关键性能参数。

TSV转接板封装结构多尺度问题的数值模拟方法研究开题报告

TSV转接板封装结构多尺度问题的数值模拟方法研究开题报告

TSV转接板封装结构多尺度问题的数值模拟方法研究开题报告题目: TSV转接板封装结构多尺度问题的数值模拟方法研究一、选题背景和意义三维堆叠集成电路(3D-IC)技术已经成为继摩尔定律之后的另一种集成电路制造方式,其中TSV技术是3D-IC的重要组成部分。

TSV是Through-Silicon Via(穿透硅孔)的缩写,是一种垂直连接技术,可以在芯片中创建具有高密度、高速率和低功率消耗的电气连接,已经被广泛应用于高性能计算领域和芯片封装领域。

然而,TSV技术的测试、封装和制造产生了大量的多尺度问题,这些问题包括如何精确模拟TSV与其周围材料的相互作用,如何处理弱连接和热点等问题,如何充分考虑不同尺度问题之间的相互影响等。

因此,开发一种新的数值模拟方法,包括多尺度耦合和集成等技术,来解决TSV转接板封装结构中出现的多尺度问题,具有重要的研究意义和实际应用价值。

二、研究内容和方法1. TSF转接板封装结构多尺度问题的分析和建模:通过对TSF转接板封装结构的分析和建模,探索其内部结构和性质。

2. 多尺度数值模拟方法的研究:研究适用于TSF转接板封装结构多尺度问题的数值模拟方法,例如多尺度有限元方法、多尺度分子动力学方法等。

3. 数值模拟实验和验证:通过数值模拟实验和验证,检验研究方法的有效性和精确度。

三、预期结果和意义1.开发一种适用于TSF转接板封装结构多尺度问题的数值模拟方法,该方法具有高效性、准确性和广泛适用性。

2. 提供各种尺度TSF转接板封装结构定量分析的可行性的研究方法,为对TSF转接板封装结构多尺度问题进行深入研究提供了新的技术支持。

3. 该研究对TSF转接板封装结构的设计和制造有指导作用,为3D-IC技术的发展提供技术支持。

3D封装及其最新研究进展

3D封装及其最新研究进展

3D 封装及其最新研究进展邓 丹a ,吴丰顺a ,b ,周龙早b ,刘 辉b ,安 兵a ,b ,吴懿平a ,b(华中科技大学a.武汉光电国家实验室; b.材料成形及模具国家重点实验室,武汉 430074)摘要:介绍了3D 封装的主要形式和分类。

将实现3D 互连的方法分为引线键合、倒装芯片、硅通孔、薄膜导线等,并对它们的优缺点进行了分析。

围绕凸点技术、金属化、芯片减薄及清洁、散热及电路性能、嵌入式工艺、低温互连工艺等,重点阐述了3D 互连工艺的最新研究成果。

结合行业背景和国内外专家学者的研究,指出3D 封装主要面临的是散热和工艺兼容性等问题,提出应尽快形成统一的行业标准和系统的评价检测体系,同时指出对穿透硅通孔(TSV )互连工艺的研究是未来研究工作的重点和热点。

关键词:3D 封装;穿透硅通孔;金属化;散热;嵌入式工艺中图分类号:TN 405.97 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2010)07-0443-083D Package and Its Latest R esearchDeng Dan a ,Wu Fengshun a ,b ,Zhou Longzao b ,Liu Hui b ,An Bing a ,b ,Wu Y iping a ,b(a.W uhan N ational L aboratory f or O ptoelect ronics ; b.S tate Key L aboratory of M aterials Processing andDie &Moul d Technolog y ,H uaz hong Universit y of Science and Technology ,W uhan 430074,China )Abstract :The main forms and classificatio n of 3D package are int roduced.The met hods of 3D in 2terconnection can be classified into t he wire bonding ,flip chip ,t hrough silico n via (TSV )and film wire technology ,whose advantages and disadvantages are analyzed.The latest researches of3D interconnection technologies are illust rated ,including t he bump s technique ,metallization ,chip t hinning and cleaning ,heat dissipation and circuit performance ,embedded technology and low 2temperat ure interconnection.Heat dissipation and processing compatibility are t he main problems in 3D package ,and a common indust ry standard as well as an evaluate system should be formulated by combining indust ry background and t he researches of expert s and scholars in foreign and domestic.3D TSV technology will be a research focus in t he f ut ure.K ey w ords :3D package ;t hrough silicon vias (TSV );metallization ;heat dissipation ;embed 2ded technologyDOI :10.3969/j.issn.1671-4776.2010.07.010 EEACC :2550F0 引 言随着消费类电子设计降低到45nm 甚至32nm 节点,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 封装的长程互连导致的RC 延迟,研究者们把目光投向了Z 方向封装———3D 封装。

3D封装与硅通孔(TSV)技术

3D封装与硅通孔(TSV)技术

3D封装与硅通孔(TSV)技术
周健;周绍华
【期刊名称】《中国新技术新产品》
【年(卷),期】2015(000)024
【摘要】随着对芯片集成度以及对电性能要求越来越高,近些年来3D封装发展
迅速。

其中硅通孔技术(TSV)被认为是实现3D封装的最好选择之一。

因此TSV 工艺逐渐成为微电子领域的热门话题之一,并且促进着微电子行业进一步向前发展。

本文分析了硅通孔技术的优点以及挑战,同时也简单介绍了硅通孔技术的应用。

【总页数】1页(P13-13)
【作者】周健;周绍华
【作者单位】合肥工业大学,安徽合肥 230009;合肥工业大学,安徽合肥230009
【正文语种】中文
【中图分类】TN605
【相关文献】
1.3D封装与硅通孔(TSV)工艺技术
2.3DIC集成与硅通孔(TSV)互连
3.中微推出用
于3D芯片及封装的硅通孔刻蚀设备PrimoTSV200E(TM)4.一种多链式结构的
3D-SIC过硅通孔(TSV)容错方案5.硅通孔转接板关键工艺技术研究——TSV成孔
及其填充技术
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TSV三维集成关键工艺技术研究的开题报告

TSV三维集成关键工艺技术研究的开题报告

TSV三维集成关键工艺技术研究的开题报告题目:TSV三维集成关键工艺技术研究一、研究背景随着电子信息技术的不断发展,对电子产品的集成度和性能要求也越来越高。

传统的二维电路板已无法满足市场需求,三维集成电路的应用逐渐得到推广。

在三维集成电路中,TSV(Through-Silicon-Via)技术是实现纵向连接的关键技术之一,其能够将不同层电路之间的信号和功率传输线路垂直穿过芯片表面,使得芯片面积能够得到充分利用,提高晶片集成度和性能。

二、研究目的和意义本课题拟研究TSV三维集成关键工艺技术,探索适合国内芯片制造需求的TSV制造工艺,完善国内芯片制造业在三维集成电路这一领域的技术体系,提高芯片制造水平和技术创新能力。

研究成果将有利于国家经济发展和行业技术提升。

三、研究内容和方法1. TSV工艺流程的研究和分析2. TSV制造过程中的关键参数及其对制造质量的影响研究3. TSV三维集成测试方法的研究及其应用场景的探索4. 利用数值仿真和实验方法研究制造工艺参数的优化四、预期研究成果1. 建立适合国内芯片制造需求的TSV制造工艺2. 发现和解决TSV制造过程中的关键问题3. 开发TSV制造测试工具和方法,实现对三维集成芯片的有效检测和改进4. 探索先进制造技术在芯片领域的应用和发展五、研究计划本研究计划分为三个阶段:1. 研究TSV制造工艺的理论基础和关键技术,制定实验方案,搭建实验平台2. 利用实验和数值仿真相结合的方法对TSV制造过程参数和影响因素进行深入探究和试验优化,完善实验体系,并整理分析实验数据3. 对研究结果进行总结,编写相关论文和报告,进行学术交流六、研究预算预算主要包括设备采购、实验用材料和人员费用等,总预算约为50万元。

设备采购:30万元实验用材料:10万元人员费用:10万元。

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三维电子封装关键结构TSV-Cu的胀出行为研究硅通孔(Through-Silicon Via,TSV)技术因其能够使器件具备出色的电性能、高的封装密度以及更宽的带宽等诸多优点,被认为是3D集成的核心和关键。

TSV制作普遍采用电镀Cu填充工艺,并采用退火工艺来稳定TSV-Cu的微结构,这使得TSV-Cu微结构与电镀工艺参数、退火工艺条件等密切相关,而微观结构又影响其宏观力学性能。

在TSV结构中,Cu的热膨胀系数(17×10<sup>-6</sup>/℃)与Si基体(2.8×10<sup>-6</sup>/℃)之间相差6倍,在TSV制备和服役阶段,巨大的热失配会导致TSV-Cu内产生热应力,并在TSV-Cu/Si界面处产生较大的切应力。

TSV-Cu内热应力引发塑性、蠕变变形,宏观表现为TSV-Cu的胀出,胀出的TSV-Cu会对其周围结构挤压使其破坏;另外,TSV-Cu/Si界面产生较高水平的切应力,会造成界面的分层或开裂,导致漏电和电击穿,使器件发生失效,并促进TSV-Cu胀出。

因此,研究TSV-Cu的胀出行为和TSV-Cu/Si界面完整性对于提高基于TSV技术的三维集成可靠性具有重要意义。

实验研究了TSV工艺参数(电镀电流密度、电镀添加剂浓度、退火升温速率)、TSV-Cu微结构、退火胀出量三者间的关系。

采用高、低两个水平的电流密度和添加剂浓度制得四种电镀参数的TSV试样,对试样分别进行升温速率10℃/min、1.2℃/min、0.6℃/min的退火处理。

分析了工艺参数对TSV-Cu晶粒尺寸的影响,得到了晶粒尺寸与胀出量间的关系。

结果表明,高电流密度和高添加剂浓度有助于细化电镀TSV-Cu的晶粒尺寸。

退火过程中,退火升温速率影响TSV-Cu晶粒尺寸的演变,升温速率1.2℃
/min的条件下,晶粒长大最为明显。

退火前后晶粒尺寸较大的TSV-Cu胀出量也
较大,与退火前相比,退火后TSV-Cu晶粒尺寸对胀出量影响更加显著。

TSV-Cu的退火胀出量包括塑性变形、蠕变变形以及TSV-Cu/Si界面开裂对胀出的促进作用,这些都难以通过TSV-Cu退火胀出的实验研究进行单独表征。

因此,在后续工作中分别针对这三种TSV-Cu胀出机制进行研究。

通过有限元模拟研究了TSV-Cu退火胀出过程中的塑性变形机制,得到了退火过程中TSV-Cu 屈服应力演变对塑性变形的影响。

通过实验观察退火前后TSV-Cu的微结构特征,确定了退火过程中TSV-Cu的扩散蠕变机制。

基于能量平衡理论推导了TSV-Cu的扩散蠕变率公式。

通过将TSV-Cu扩散蠕变应变率参数引入有限元模型中,研究了TSV-Cu退火胀出过程中的蠕变变形机制。

结果表明,退火过程中,TSV-Cu晶粒尺寸通过影响屈服应力来影响塑性变形的大小,TSV-Cu晶粒尺寸越小,屈服应力越高,越不易发生塑性变形,但模拟
TSV-Cu胀出量结果与实验值存在差距。

退火过程中,TSV-Cu发生由晶界扩散和晶界滑移共同诱发的扩散蠕变,扩散蠕变应变率与环境温度、外载应力均为正相关关系,而与晶粒尺寸为负相关关系。

模拟结果表明,引入蠕变变形后,TSV-Cu胀出量计算结果与实验值更加接近。

另外,TSV-Cu微结构分布影响其胀出形貌,随着TSV侧壁处Cu晶粒尺寸细化,侧壁处Cu的蠕变变形更加明显,TSV-Cu趋向于呈现TSV侧壁胀出量远高于其他区域的“甜甜圈”胀出形貌。

研究了TSV-Cu/Si界面完整性对TSV-Cu胀出行为的影响。

实验观察了
TSV-Cu/Si界面的失效模式,分析了界面失效的影响因素,提出了界面裂纹深度
的预测模型。

在有限元模型中,通过在TSV-Cu/Si界面处引入内聚力单元分析了界面的破坏机理,研究了界面开裂对TSV-Cu胀出的影响。

结果发现,退火后,大部分TSV-Cu/Si界面均发生开裂,裂纹沿Cu种子层内部延伸,Cu种子层内的应力集中是界面开裂的根本原因。

TSV-Cu/Si界面裂纹深度预测模型表明,界面粗糙度增大、Cu种子层晶粒尺寸增加均会引发更深的界面裂纹。

将界面开裂因素引入到有限元模型中后,与仅考虑塑性和蠕变变形的模型相比,TSV-Cu胀出量模拟结果与实验值更加吻合。

为了研究退火后的TSV-Cu在组装以及服役温度循环条件下的胀出行为,根
据TSV在组装工艺流程中的温度载荷条件,设计了300℃温差的温度循环实验(25℃-325℃),另外,根据TSV在服役阶段的温度载荷条件,设计了125℃温差的温度
循环实验(0℃-125℃)。

通过对温度循环过程中TSV-Cu微结构与胀出量进行观测,研究了温度循环过程中TSV-Cu胀出量与微结构演变间的关系。

结果表明,125℃温差条件下TSV-Cu不胀出。

300℃温差条件下TSV-Cu发生胀出,同时微结构发生演变。

前5次循环中,
晶粒尺寸较大的TSV-Cu胀出量较多。

随循环次数的增加,胀出量受晶粒尺寸影响不再明显,转而受到TSV-Cu内部取向差的影响越加显著,高水平的取向差可以促进其发生胀出。

当循环超过25次,TSV-Cu内部位错塞积造成塑性硬化使胀出速率减缓,30
个循环后,胀出量逐渐趋于稳定范围1.92μm-2.09μm。

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