面向TSV封裝的抗熱疲勞與高效散熱關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著電子產(chǎn)品朝著高性能和微型化方向的不斷發(fā)展，基于硅通孔(Through SiliconVia，TSV)互連的三維封裝技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代封裝技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，三維堆疊封裝使單位面積內(nèi)的熱耗散功率成倍增加，如果沒有高效的散熱方式及時地把熱量傳輸?shù)椒庋b體外，隨后的溫度變化就會在封裝體中產(chǎn)生一系列熱效應(yīng)，影響器件正常運行，功率器件三維封裝尤其如此，需要認真研究加以解決。
　　本文圍繞TSV封裝的熱可靠性開展研究工作。為了提高TSV

2、封裝中焊墊的熱疲勞壽命，提出了一種應(yīng)變隔離焊墊設(shè)計，可以避免焊墊與TSV高應(yīng)力區(qū)域直接接觸，減少塑性應(yīng)變積聚，延長熱疲勞壽命。同時為了從根本上解決三維封裝所導(dǎo)致的高功耗熱積聚問題，緩解溫度變化引起的熱效應(yīng)，從提高TSV封裝散熱效果入手，在TSV封裝結(jié)構(gòu)中引入具有高效散熱機制微通道散熱器，通過強化散熱抑制熱效應(yīng)發(fā)生。針對所采用的強化傳熱結(jié)構(gòu)，包括肋片結(jié)構(gòu)和凹槽結(jié)構(gòu)，通過有限元分析方法，研究肋片的幾何形狀對微通道散熱性能的影響，提出了一種嵌

3、入轉(zhuǎn)接板內(nèi)部的同時具備肋片和凹槽兩種強化傳熱結(jié)構(gòu)的微通道散熱器設(shè)計。隨后利用MEMS工藝制備同時帶有應(yīng)變隔離焊墊和微通道散熱器的新型轉(zhuǎn)接板樣品，最后通過附加模擬功率器件熱效應(yīng)的模擬熱源對實驗樣機進行全面的測試與分析。
　　在總結(jié)國內(nèi)外研究進展的基礎(chǔ)上，本文面向TSV封裝的抗熱疲勞與高效散熱關(guān)鍵技術(shù)開展研究工作，論文的主要工作內(nèi)容如下：
　　1．提出了一種可以提高熱疲勞壽命的應(yīng)變隔離焊墊設(shè)計方案。采用ANSYS有限元分析軟件對

4、帶有TSV結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)焊墊模型進行溫度循環(huán)仿真，分析其失效主要原因。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種含有凸起結(jié)構(gòu)的應(yīng)變隔離焊墊，隨后應(yīng)用Manson-Coffin經(jīng)驗方程預(yù)測傳統(tǒng)焊墊和應(yīng)變隔離焊墊的熱疲勞壽命。
　　2．提出了肋片和凹槽微結(jié)構(gòu)強化的高效微通道散熱器設(shè)計。通過FLUENT軟件研究了肋片形狀對微通道傳熱性能的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種同時具有肋片和凹槽強化結(jié)構(gòu)的新型微通道散熱器設(shè)計，以提升微通道散熱器的散熱效果，同樣采用仿真軟件重

5、點分析了相對肋片高度對新型散熱器性能的影響，給出了合理的散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，為器件的制備提供理論依據(jù)。
　　3．提出一種同時帶有應(yīng)變隔離焊墊和高效微通道散熱器的新型轉(zhuǎn)接板設(shè)計。將應(yīng)變隔離焊墊應(yīng)用到Si轉(zhuǎn)接板中，可以提高封裝中焊墊的抗熱疲勞能力；在轉(zhuǎn)接板中嵌入高效微通道散熱器，可以使熱源芯片與散熱器直接接觸，減少熱阻，進一步提高TSV封裝的散熱效果。
　　綜合利用非硅微加工的厚膠（SU-8）成型工藝、非硅表面微加工工藝、硅微加工的