基于TSV的三维芯片热力学分析

在传统的二维集成在提高集成度的过程中遇到物理极限的瓶颈时,高密度的三维芯片封装技术成为了微电子电路系统级集成重要的技术途径。垂直硅通孔(Through-Silicon-Via,TSV)技术是通过在芯片和芯片、晶圆和晶圆之间制作为最有前景的下一代集成封装技术之一,近年来得到了飞速的发展。但是目前垂直硅通孔三维芯片面临着热管理的问题,由于通常垂直硅通孔由热导率较高热膨胀率较高的材料填充,如金属铜等,在工作过程中会有明显的温度的提升,同时在温度升高时,由温度变化引起的热膨胀问题不容忽视,不同材料间热膨胀系数不匹配,其引起的热应力在严重时甚至会破坏器件结构,使得器件失效。因此在工艺尺寸不断缩小时,热管理的影响已经不容忽视。本论文设计了一种基于垂直硅通孔的三维芯片封装结构,基于有限元原理,利用有限元分析软件ANSYS建立了该结构单元的三维模型,并改变其结构参数对其进行了一系列电热模拟与热应力模拟。分析了不同结构参数(包括芯片厚度,TSV孔距,TSV深度,TSV形状等)对器件热效果热分布热应力效果热应力分布的影响,并在此基础上进行了基于垂直硅通孔的三维芯片的热管理分析与可靠性分析,建立了模型并提出了可靠地解决方案。另外本论文还提出了一种适用于TSV芯片的填充材料,Diamond/Cu复合材料,此材料具有高热导率低热膨胀率同时保持了高电导率的特点,对降低TSV芯片的热应力有明显作用。最后本论文对三维芯片进行了工业环境下的可靠性分析,通过比较不同情况下TSV芯片的热效应、热分布特征,比较在不同温度条件下的热应力状态与形变特征,与实际结果,判断不同结构材料TSV芯片的热可靠性。