界面粗糙度对硅通孔结构界面分层的影响

硅通孔(TSV)结构是三维互连封装的核心,针对其热可靠性问题,基于ANSYS有限元分析软件分别构建光滑和粗糙两种界面形貌的TSV结构分析模型,模拟计算了两种界面下TSV结构的热应力和界面分层裂纹尖端能量释放率,通过对比分析研究了界面粗糙度对TSV结构界面分层的影响。结果表明,温度载荷下粗糙界面上热应力呈现出明显的周期性非连续应力极值分布,且极值点位于粗糙界面尖端点。界面分层裂纹尖端能量释放率也呈周期性振荡变化。降温下,粗糙界面尖端点附近能量释放率明显大于光滑界面稳态能量释放率;升温下,粗糙界面能量释放率总体上呈现出先增大后减小的变化趋势。     

三维堆叠封装TSV互连结构热扭耦合应力分析与优化

建立了三维硅通孔(TSV)芯片垂直堆叠封装结构有限元分析模型,对模型在热扭耦合加载下进行了仿真分析;分析了TSV材料参数与结构参数对TSV互连结构热扭耦合应力的影响;采用了响应面与模拟退火算法对在热扭耦合加载下TSV互连结构参数进行优化设计。结果表明：TSV互连结构最大热扭耦合应力应变位于铜柱与微凸点接触面外侧;微凸点材料为SAC387时,TSV互连结构热扭耦合应力最大,该应力随SiO₂层厚度的增大而增大,随铜柱直径的增大而先增大后减小,随铜柱高度的增大而减小;最优参数水平组合为铜柱直径50μm、铜柱高度85μm、SiO₂层厚度3μm,优化后的最大热扭耦合应力下降了5.3%。     

基于热-结构耦合的3D-TSV互连结构的应力应变分析

建立了3D-TSV(硅通孔)互连结构三维有限元分析模型,对该模型进行了热-结构耦合条件下的应力应变有限元分析,研究了TSV高度和直径对3D-TSV互连结构温度场分布及应力应变的影响。结果表明:随着TSV高度和直径的增大,3D-TSV叠层芯片封装整体、焊球、间隔层、芯片和TSV及微凸点处的最高温度均逐渐降低,TSV高度和直径的增加在一定程度上有利于降低封装体各部分最高温度;随着TSV高度的增加,TSV及微凸点互连结构内的应力应变呈增大趋势。     

铜互连应力模拟分析

建立了三维有限元模型,采用ABAQUS有限元分析软件,模拟计算了Cu互连系统中的热应力分布;通过改变通孔直径、铜线余量、层间介质等,对比分析了互连结构对热应力分布的影响。结果表明,互连应力在金属线中通孔正下方铜线顶端处存在极小值,应力和应力梯度在下层铜线互连顶端通孔两侧处存在极大值。应力和应力梯度随着通孔直径或层间介质材料介电常数的减小而下降,应力随铜线余量长度的减小而增大。双通孔结构相对于单通孔结构而言,靠近下层金属线末端的通孔附近应力较大,但应力梯度较小。     

TSV结构热机械可靠性研究综述

硅通孔(TSV)结构是三维电路集成和器件封装的关键结构单元。TSV结构是由电镀铜填充的Cu-Si复合结构,该结构具有Cu/Ta/SiO2/Si多层界面,而且界面具有一定工艺粗糙度。TSV结构中,由于Cu和Si的热膨胀系数相差6倍,致使TSV器件热应力水平较高,引发严重的热机械可靠性问题。这些可靠性问题严重影响TSV技术的发展和应用,也制约了基于TSV技术封装产品的市场化进程。针对TSV结构的热机械可靠性问题,综述了国内外研究进展,提出了亟需解决的若干问题:电镀填充及退火工艺过程残余应力测量、TSV界面完整性的量化评价方法、热载荷和电流作用下TSV-Cu的胀出变形计算模型问题等。     

基于COB技术的SiP模块可靠性分析

针对COB形式的SiP模块,应用有限元分析方法模拟了该模块在湿热环境下的湿气扩散和湿应力分布,以及回流焊过程中的热应力分布,并通过吸湿实验和回流焊实验分析了该模块失效模式.结果表明,在湿热环境下,粘接材料夹在芯片和焊盘中间不易吸湿,造成粘接材料的相对湿度比塑封材料的相对湿度低得多.塑封材料相对湿度较高,产生较大的湿膨胀,使湿应力主要分布在塑封材料与芯片相接触的界面上.由于材料参数失配,回流焊过程产生的热应力主要分布在粘接材料和铜焊盘的界面,以及塑封料和铜焊盘的界面,在经过吸湿和回流焊实验后观察到界面分层沿着这些界面扩展.     

3D堆叠封装硅通孔结构的电-热-结构耦合分析

硅通孔(TSV)技术作为三维封装的关键技术,其可靠性问题受到广泛的关注。基于ANSYS平台,通过有限元方法,对3D堆叠封装的TSV模型进行了电-热-结构耦合分析,并进一步研究了不同的通孔直径、通孔高度以及介质隔离层SiO_2厚度对TSV通孔的电流密度、温度场及热应力分布的影响。结果表明:在TSV/微凸点界面的拐角处存在较大的电流密度和等效应力,容易引起TSV结构的失效;增大通孔直径、减小通孔长度可以提高TSV结构的电-热-机械可靠性;随着SiO_2层厚度的增加,通孔的最大电流密度增大而最大等效应力减小,需要综合考虑合理选择SiO_2层厚度。     

TSV电迁移影响因素的有限元分析

本文建立了TSV互连结构三维有限元模型,并对该模型进行了电热耦合分析,分别对比了不同电流密度、环境温度、TSV填充材料等因素对TSV互连结构电迁移失效的影响。结果表明,在一定范围内,电流密度和环境温度是影响TSV互连结构电迁移寿命的主要因素;四种填充物相比,碳纳米管与硅的热膨胀系数更匹配,且产生的焦耳热最小。此外,仿真分析不同TSV长度和孔径对TSV互连结构的温度场分布和焦耳热分布情况的影响。随着TSV长度增大,TSV单位体积热生成率有减小的趋势。电流密度相同情况下,随着TSV孔径增大,产生的焦耳热增加,将加速电迁移现象。     

T字型硅通孔不同位置界面裂纹扩展研究

硅通孔(TSV)技术是实现三维封装的关键技术.随着技术发展,TSV被设计成多种不同结构.以T字型TSV为研究对象,仿真分析了两种温度载荷下T字型TSV中产生的热应力及其分布情况.以此为基础,通过计算裂纹尖端能量释放率,研究了T字型TSV中3个不同位置的界面裂纹失效扩展.结果 表明,T字型TSV中钉头的存在改变了铜/硅/钉头三重连接处和硅材料顶部钉头外周边界条件,在这两处易产生应力集中现象.与完全填充TSV结构相同位置的垂直裂纹相比,T字型TSV中垂直裂纹能量释放率明显下降.另外,T字型TSV中水平向外开裂的界面裂纹扩展时裂纹尖端能量释放率最小,水平向里开裂的界面裂纹扩展时裂纹尖端能量释放率最大,更易发生失稳扩展.     

基于电热耦合效应下的TSV互连结构传输性能分析

根据电路和热路的基本原理结合硅通孔(TSV)的几何结构,建立TSV互连结构等效电路模型,对该模型进行电-热耦合条件下的互连传输性能分析,研究TSV的半径、高度和二氧化硅层厚度对TSV传输性能的影响。结果表明,TSV互连结构的传输性能随着半径和二氧化硅层厚度的增大而变得越好,随着其高度增大而变得越差。同时用COMSOL仿真软件分析出的S参数与等效电路模型的结果相对比,所得的结果几乎一样,进一步说明等效电路模型的正确性。     

倒装焊器件中Cu/low-k结构热可靠性分析

利用有限元软件建立了倒装焊器件的整体模型和Cu/low-k结构的子模型,分析了在固化工艺及后续热循环条件下Cu/low-k结构的热机械可靠性。结果表明:在金属互连线与低电介质材料的交界处容易产生可靠性问题,采用low-k材料及铜互连线时均增大了两者所受最大等效应力,另外,通孔宽度对low-k及铜线的热应力影响并不明显。     

空心硅通孔的设计及其传输性能

硅通孔(TSV)能够实现信号的垂直传输,是微系统三维集成中的关键技术,在微波毫米波领域,硅通孔的高频传输特性成为研究的重点。针对微系统三维集成中,无源集成的硅基转接板的空心TSV垂直传输结构低损耗的传输要求,进行硅通孔的互连设计和传输性能分析。采用传输线校准方式,首先在硅基转接板上设计TSV阵列接地的共面波导(CPW)传输线和带TSV过孔的传输结构,并分别进行仿真分析,计算得出带TSV过孔的传输结构的插入损耗;然后通过后道TSV工艺,在硅基转接板上制作传输线和带TSV过孔的传输结构,用矢量网络分析仪法测试传输线和带TSV过孔的传输结构的插入损耗;最后计算得到单个TSV过孔的插入损耗,结果显示在0.1～30 GHz频段内其插入损耗S21≤0.1 dB,实现了基于TSV的低损耗信号传输。     

芯片堆叠封装耐湿热可靠性

采用Abaqus软件模拟了CPU和DDR双层芯片堆叠封装组件在85℃/RH85%湿热环境下分别吸湿5,17,55和168 h的相对湿气扩散分布和吸湿168 h后回流焊过程中湿应力、热应力和湿热应力分布,并通过吸湿和回流焊实验分析了该组件在湿热环境下的失效机理。模拟结果表明,在湿热环境下,分别位于基板和CPU、CPU和DDR之间的粘结层1和2不易吸湿,造成粘结层的相对湿度比塑封材料低得多,但粘结层1的相对湿度比粘结层2要高。吸湿168 h后,在回流焊载荷下湿应力主要集中在芯片DDR远离中心的长边上,而最大湿热应力和热应力一样位于底层芯片CPU的底角处,其数值是单纯热应力的1.3倍。实验结果表明,界面裂纹及分层集中在底层CPU芯片的边角处和芯片、粘结层和塑封材料的交界处,与模拟结果相一致。     

堆叠结构BGA焊接可靠性评价方法

设计了基于实时监测菊花链拓扑结构动态电阻的叠层球栅阵列封装(BGA)焊接可靠性评价方法,使用该方法研究叠层器件BGA焊接互连结构的环境可靠性.以基于硅通孔(TSV)技术的BGA互连的硅基双层器件为例,首先通过有限元仿真确定叠层器件各层焊点在-55～125℃条件下的应变和应力,并根据应变和应力将每一叠层焊点划分为敏感焊点和可靠焊点;然后将敏感焊点通过器件键合焊盘、键合丝、TSV、垂直过孔、可靠焊点和PCB布线相连接形成菊花链.由于敏感焊点是菊花链的薄弱环节,可以通过监测菊花链电阻变化来研究叠层器件的环境可靠性,并以此为基础设计了堆叠结构BGA产品焊接可靠性试验系统.该方法简单高效,能快速解决常规失效分析方法无法检测的BGA虚焊接、微小缺陷等问题.     

SiP器件回流焊时湿热应力的分析

应用有限元方法分析了QFN形式的SiP封装器件在回流焊中的热应力与湿热合成应力。结果表明,在回流焊过程中,由于其结构特点与湿气的扩散不均引起湿热应力变化梯度加大,在其材料交界处应力集中现象明显。最大湿热应力是单纯考虑热应力的情况1.66倍左右。通过比较得知湿热环境对这种SiP器件的影响比一般的封装器件要大,更可能导致器件失效。     

基于热电耦合激励的TSV三维封装内部缺陷识别方法研究

由于硅通孔互连(Through Silicon Via,TSV)三维封装内部缺陷深藏于器件及封装内部,采用常规方法很难检测.然而TSV三维封装缺陷在热-电激励的情况下可表现出规则性的外在特征,因此可以通过识别这些外在特征达到对TSV三维封装内部缺陷进行检测的目的 .文章利用理论与有限元仿真相结合,对比了正常TSV与典型缺陷TSV的温度分布,发现了可供缺陷识别的显著差异.分析结果表明,在三种典型缺陷中,含缝隙TSV与正常TSV温度分布差异最小;其次为底部空洞TSV,差异最大的为填充缺失TSV.由此可知,通过检测热-电耦合激励下的TSV封装外部温度特征,可实现TSV三维封装互连结构内部缺陷诊断与定位.     

多种结构硅通孔热应力仿真分析

硅通孔(TSV)技术是实现三维封装的一种关键技术。通过有限元分析方法,研究了三种结构硅通孔的热应力,提出聚对二甲苯填充结构在热应力方面的优越性。为了进一步研究聚对二甲苯填充结构的TSV热应力,选用不同聚对二甲苯直径、高度、硅通孔的尺寸和深宽比进行仿真,得出一系列优化结论:随着聚对二甲苯直径的增大,等效应力先增大后减小;增大聚对二甲苯的高度、减小硅通孔的直径和深宽比,有利于优化热应力;深宽比大于4时,三种结构的热应力均趋于平稳。     

湿热对PoP封装可靠性影响的研究

堆叠封装(package-on-package,PoP)是一种先进的三维封装。首先基于有限元分析方法对PoP封装进行建模,对PoP封装在潮湿环境中进行了吸湿和解吸附分析。研究了吸湿膨胀引入的湿应力和回流焊过程中引入的热应力对PoP封装可靠性的影响,与热膨相似,聚合物与非聚合物膨胀系数不同会导致封装中出现吸湿不匹配应力。模拟结果表明,最大湿-机械应力出现在封装边缘焊球的边角处,顶层封装的湿-热-机械应力均比底层封装大。顶层封装是PoP封装的关键因素,湿气与热应力一样对PoP封装的可靠性起着重要的作用。     

QFN封装分层失效与湿-热仿真分析

采用湿度敏感度评价试验及湿-热仿真方法,分析了温湿度对于QFN封装分层失效的影响.通过C-SAM和SEM等观察发现,QFN存在多种分层形式,分层大多发生在封装内部材料的界面上,包括封装塑封材料和芯片之间的界面、塑封材料和框架之间的界面等.此外,在封装断面研磨的SEM图像上发现芯片粘结剂内部有空洞出现.利用有限元数值模拟的方法,对QFN封装的内部湿气扩散、回流过程中的热应力分布等进行了模拟,分析QFN分层失效的形成原因.结果表明,由于塑封器件材料、芯片、框架间CTE失配,器件在高温状态湿气扩散形成高气压条件下易产生分层.最后提出了改善QFN分层失效的措施.     

基于复合介质层材料的硅通孔热结构耦合分析

硅通孔(TSV)技术是三维封装的关键技术,对三维IC的可靠性起决定性作用。基于ANSYS Workbench平台,通过有限元仿真对退火阶段的TSV模型进行热结构耦合分析。比较了二氧化硅(SiO₂)介质层与苯并环丁烯(BCB)介质层在不同负载下的热应力,研究了不同填充材料、介质层厚度、通孔直径、深宽比条件下的热应力分布和热应力影响,分析了碳纳米管掺杂的苯并环丁烯(BCB-CNT)介质层的热应力。结果表明,该复合介质层能有效降低热应力,提高了三维IC的可靠性。