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
焊球和焊盘的 单元划分
3D TSV 有限元模型 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
稳态温度场分析
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
温度冲 击分析
展望& 谢辞
3D TSV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
TSV介绍
热稳态 分析
温度循 环分析
温度冲 击分析
展望& 谢辞
整体单元划分图形
3D TSV 有限元模型 单元划分
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
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
TSV介绍
热稳态 分析
温度循 环分析
温度冲 击分析
硅通孔技术(TSV)是通过在芯片和Hale Waihona Puke Baidu片之间、
晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间
互连的由最于新T技SV术能。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
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；
TSV介 绍
3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析 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
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
TSV介 绍
3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析 应变分析；
热稳态 分析
3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析
TSV介 绍
温度循环实验的有限元分析
热稳态 分析
载荷曲线
温度循 环分析
温度冲 击分析
展望& 谢辞
约束条件 单元类型 材料参数
底面全约束；对称面对称约束
焊球采用visco 107粘塑形变形单 元，其他部分采用solid 45单元
杨氏模量，泊松比，热膨胀系数 （焊球还有Anand本构方程的参数）
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
TSV介 绍
3D封装中硅通孔互连技术的热-机械应力分析 位移分析；
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技术的可靠性问题
热稳态 分析
温度循 环分析
温度冲 击分析
展望& 谢辞
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
TSV寸的优最势小：，并且大大改善芯片速度和低功耗的
➢ ➢
缩高性小 频能封 特，装 性成尺 出为寸 色，目减前小电传子输封延装技术中最引人注目 时的降一低种噪技声术。
➢ 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
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
TSV介绍
热稳态 分析
温度循 环分析
温度冲 击分析
展望& 谢辞
PCB、焊球和基板部分 的单元划分图形
3D TSV 有限元模型 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
热稳态 分析
温度循 环分析
温度冲 击分析
展望& 谢辞
TSV的单元划分
3D TSV 有限元模型 单元划分
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
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 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。
TSV介绍
本文采用的TSV 3D模型
热稳态 分析
温度循 环分析
温度冲 击分析
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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 TSV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
TSV介绍
热稳态 分析
温度循 环分析
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
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。