硅通孔tsv结构三维堆叠芯片封装的热力特性仿真与优化设计.docx

摘要

随着电子封装技术的快速发展，叠层芯片封装已逐渐发展成为先进封装领域的主流技术之一。含有硅通孔结构的三维堆叠芯片封装是极具发展潜力的技术，硅通孔的连接方式无需引线键合，能够有效地缩短互连距离，降低信号在芯片的传输过程中的延迟与损失，提高带宽与信号传输速度；同时，也能显著降低芯片的功耗，减小封装的体积，实现器件和产品的微型化。本工作将主要研究三维封装中硅通孔结构的热-力特性。

本文研究主要利用ANSYS软件通过有限元分析法对三维堆叠心片封装中硅通孔结构的热-力特性进行仿真模拟和优化设计。首先建立了一个三层5×5全阵列的硅通孔结构三维堆叠芯片封装模型，模型中的焊点部分采用Anand粘塑性本构模型；然后模拟了所建模型在温度循环作用下的热-力响应行为，指出了最容易发生失效的危险焊点，并通过改变几何形状、材料等参数，为优化设计提供建议。

模拟结果表明，在下层阵列中处于对角线位置最靠近外侧的焊点是最危险部位，最大等效应力达到58.2MPa,最有可能在温度变化时出现裂纹、交界面分层等缺陷。在优化设计部分，比较分析可知，将焊点材料从Sn-3.0Ag-0.5Cu(SAC305)变换为Sn-3.5Ag后，可使封装系统拥有更长的热疲劳寿命，但材料价格也更高。在硅通孔结构中加入SiO?绝缘层之后，系统等效应力最大值较未加入绝缘层时减小了69.7%,等效应变最大值则减小了49.2%,证明加入隔离层有利于提高封装结构的可靠性。减小硅通孔的半径也可使系统等效应力应变值有所减小，但是变化幅值不大，因此硅通孔结构设计时可以根据工艺要求和结构可靠性设计需要选择合适的硅通孔尺寸。

关键词：硅通孔；三维封装；有限元分析；热-力特性

Withtherapiddevelopmentofelectronicpackagingtechnologies,three-dimensional(3D)chippackaginghasethemaintechnologyofpackagingareassoastomeetthedemandforhigh-density,multifunctionandhighreliabilitydevicesandproducts.3Dstackedchippackagingwiththroughsiliconvia(TSV)structureisofgreatpotentialfordevelopmentoftechnology.Comparedtothetraditionalwirebonding,theTSVstructurecaneffectivelyshortenthedistanceofinterconnection,reducesignaldelayandlossduringtransmissionofchips,improvethebandwidthandsignaltransmissionspeed,sewellasreducethepowerconsumption,volumeofthepackage,andhaveminiaturizationandmulti-functional,high-performanceandhigh-densitycharacteristics.Thermo-mechanicalcharacteristicsofTSVstructurepackagearethemaincontentofthisthesisstudy.

Inthisthesisstudy,thesimulationofTSVstructured3DstackedchippackagewascarriedoutbyANSYSsoftwareinordertoinvestigatethethermo-mechanicalcharacteristicsinservice.Atfirst,athree-layer5×5fullarrayTSVstructured3Dstackedchippackagemodelwasestablishedandthethermo-mechanicalcharacteristicsofthemodelwithtemperaturecycles