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近年来随着电子产品日益微型化和多功能化,集成电路封装和集成技术的发展迅猛;其中三维(3D)集成已成为提高体积内晶体管数量以延续所谓的“摩尔定律”越来越可行的解决方案。TSV互连技术是实现3D集成的最重要方法之一,它能够使多个芯片在垂直方向上堆叠并互连,已被应用于高性能计算(HPC)和人工智能(AI)等领域。然而,TSV结构中Cu和Si存在热膨胀系数(CTE)不匹配问题,导致Cu柱产生明显挤出,同时Cu和Si之间存在的较大热应力导致Cu可能发生塑性变形。此外,用于连接TSV芯片的微凸点焊点尺寸通常为微米级,其与TSV铜柱端接触并在交变或循环载荷下两者产生相互作用,铜挤出会挤压焊点,微凸点焊点也一定程度上限制TSV铜挤出。本论文基于有限元理论方法,采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,针对不包含微凸点焊点的单层芯片TSV结构、包含微凸点焊点的两层芯片TSV结构以及四层(4-hi)和8层(8-hi)芯片高带宽存储器(HBM)堆叠结构建立了有限元模型,分别在温度循环载荷和温度-通电循环载荷作用下研究了TSV铜柱挤出与微凸点焊点的力学行为,以及微焊点的疲劳行为,并考虑了不同尺寸的微焊点对TSV铜挤出行为与微凸点焊点疲劳行为的影响(即微焊点的尺寸效应)。研究结果表明,TSV中铜挤出高度随着温循峰值温度的升高而增大,两层芯片TSV结构中铜挤出高度略小于单层芯片TSV中的铜挤出高度。在微焊点尺寸效应的研究中发现,温循条件下125℃时铜挤出高度受h影响更大,且随h/d的增大铜挤出高度在125℃时呈波动增大而在25℃呈下降趋势。微凸点焊点的疲劳寿命随h/d增大而波动增大,微凸点焊点尺寸减小导致其疲劳寿命降低,微小尺度焊点可靠性问题不容忽视。对微凸点焊点的疲劳行为的研究表明,8-hi结构HBM模型优于4-hi结构HBM模型;经历20个温循周期所获得的疲劳寿命预测值相比4个温循周期情况更可靠;所以工程应用研究中需要施加足够次数的温循周期以获得可靠的疲劳寿命数据。带有微凸点焊点的TSV结构在电-热-力多物理场作用下不仅有焦耳热产生而且在Cu焊盘和微凸点焊点间的拐角处出现电流拥挤现象。施加不同物理场时将产生不同的温度变化,铜挤出高度因施加物理场的不同而变化,铜挤出高度在电-热-力场下为最大,在热-力场下次之,而在电-力场下的铜挤出高度最小。