三维堆叠封装硅通孔热机械可靠性分析

摘要

近年来，微电子行业快速发展，对于电子产品的封装要求也越来越高，就促使封装行业的关键技术获得进一步改进，其中硅通孔技术的出现将封装业带入了一个新的转折点，但是随着尺寸的微细化，硅通孔技术作为一项新的技术，也存在很多问题，考虑到封装的疲劳和失效，其中对于三维堆叠封装结构的热可靠性分析成为了该项技术发展的关键。为了避免封装结构关键部位在热载荷的作用下发生热变形失效，本文进行了以下几个方面的研究。
　　首先，研究了电镀铜使用不同的材料属性参数，单个硅通孔在热冲击温度载荷下的热机械响应。经过多次有限元分析，得出两者应力大小和分布的不同，总结应力大小分布发生的机理，进一步研究了结构参数对于单个硅通孔热机械可靠性的影响。对比了相同结构参数下单个硅通孔在二维模型和三维模型下的分析结果。经过多次建模分析，得出了在两种模型下，硅通孔的应力大小和分布的相同点和不同点。
　　其次，用解析法和数值方法联合研究二维俯视图和轴向图简化结构的适用范围，通过探究得出，芯片堆叠封装用二维轴向模型可以相对准确的反映堆叠芯片之间热应力的相互影响。
　　最后，建立了多层堆叠芯片的二维轴向简化模型，研究了其整体变形以及关键部位的应力分布和大小，并研究了结构参数，包括芯片中硅通孔直径、微焊点高度、中介层中硅通孔直径、中介层厚度和常规焊点高度对其热应力的影响曲线图。
　　通过本文研究，为硅通孔的设计提供科学的理论依据，对电子封装行业的发展具有深远的社会意义。

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1 绪论

1.1 封装技术发展研究

1.2 硅通孔互连技术的发展现状

1.3 国内外研究现状

1.4 本文研究内容

2 热结构耦合分析基础理论和研究方法

2.1 热分析理论基础

2.2 热传递类型

2.3 三类基本边界条件以及初始条件

2.4 热-结构耦合分析理论

2.5 本文研究方法

3 硅通孔技术的关键工艺研究

3.1 TSV技术研究

3.2 Cu-TSV制作过程

3.3 硅通孔电镀铜柱力学材料性能纳米压痕测试

4 硅通孔热机械可靠性分析

4.1 电镀铜不同材料属性对硅通孔热应力的影响

4.2 二维模型与三维模型下热应力的分析对比

4.3 硅通孔不同排列模式对热应力的影响

4.4 本章小结

5 硅通孔三维芯片堆叠封装热应力设计分析

5.1 探究二维模型热应力的可行性

5.2 硅通孔三维芯片堆叠封装热应力仿真分析

5.3 结构参数对三维芯片堆叠封装热机械可靠性的影响

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献