三维集成系统中硅直通孔的多物理场模型研究

三维集成技术通过芯片的垂直堆叠能够有效增大集成度、减小引线长度、实现异质集成。硅通孔技术是三维集成的关键技术,用来提供电学互连,具有低延时、小寄生电容电感、高数据通信速度等优点。但是三维集成技术在提高集成度的同时,由于单位面积的功率密度显著增大,热可靠性问题会比较突出。此外,三维集成工艺技术在硅通孔的制造过程中会因为材料间热膨胀系数的不匹配而引入热应力,从而对有源器件载流子迁移率造成影响。硅通孔的可靠性是一个多物理场耦合的问题,在中低频应用领域,需要同时考虑热学、电学、力学可靠性之间的相互影响。基于COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,本文围绕三维集成系统中硅通孔的多物理场问题开展了一系列的研究工作,主要的研究内容包括:1、研究了TSV的热学模型以及三维集成系统的热管理方法。使用分段热阻模型研究了硅通孔的几何参数对三维集成系统稳态温度的影响,并与一维热阻模型理论计算结果、有限元仿真结果进行比较分析,验证了分段热阻模型的优越性。分段热阻模型的结果用来指导三维集成系统的热管理设计。2、研究了硅通孔的热应力可靠性问题,分析了硅通孔几何参数对热应力的影响并给出了不同方向因子情况下的安全工作区,用于指导热硅通孔的布局;分析了三种提高热应力可靠性的方法,同时考虑了圆锥形硅通孔的情况。3、利用有限元仿真软件,分别分析了硅通孔的电-热、电-力两个物理场耦合时的可靠性问题,同时对比了圆柱形硅通孔和圆锥形硅通孔的情形。4、研究了硅通孔电-热-力三物理场耦合对可靠性的影响,同时研究了两个硅通孔和四个硅通孔的情况、不同硅通孔几何排布以及布局对硅衬底表面冯米斯应力分布的影响,给出了最大峰值应力在不同电流密度时分别随硅通孔半径、间距的变化情况。