硅通孔互連熱應(yīng)力的數(shù)值模擬及仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì).pdf

1、由于3D芯片集成具有高傳輸速度和小封裝尺寸的優(yōu)點(diǎn)，作為其關(guān)鍵技術(shù)的硅通孔技術(shù)（Through Silicon Vias，簡(jiǎn)稱TSV），已被廣泛應(yīng)用于微電子系統(tǒng)。而銅互連線是TSV技術(shù)中典型的互連線之一。本文首先建立了熱力耦合的塑性應(yīng)變梯度的本構(gòu)關(guān)系，并通過(guò)用戶子程序UMAT嵌入到ABAQUS中進(jìn)行互連結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析，之后基于所建立的本構(gòu)模型，結(jié)合參數(shù)化有限元方法和試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)TSV結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究。主要工作和結(jié)論如下：
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2、1）研究了完全填充銅TSV和填充聚合物TSV結(jié)構(gòu)在退火時(shí)的熱應(yīng)力分布情況。結(jié)果顯示兩種TSV結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)失效區(qū)域均集中在銅互連頂部界面處，該處熱應(yīng)力超過(guò)銅的屈服強(qiáng)度。相比完全填充銅TSV結(jié)構(gòu)，填充聚合物TSV結(jié)構(gòu)更可能出現(xiàn)熱失配導(dǎo)致的應(yīng)力失效。
　　（2）建立了熱力耦合的塑性應(yīng)變梯度的本構(gòu)關(guān)系，并通過(guò)用戶子程序UMAT嵌入到ABAQUS中進(jìn)行互連結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力分析。同時(shí)與理想彈塑性互連解析解進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示二者軸向應(yīng)力值較為接近

3、，而解析解所得徑向應(yīng)力則小的多。在不同通孔半徑和通孔結(jié)構(gòu)整體縮小的條件下，銅互連中心和頂部界面處均出現(xiàn)顯著的尺寸效應(yīng)，即在互連尺寸接近亞微米時(shí)，熱應(yīng)力隨著半徑減小而急劇增加的現(xiàn)象。通孔半徑對(duì)靜水應(yīng)力有顯著的影響，互連半徑小于10微米時(shí)，銅互連中心位置始終保持較大靜水應(yīng)力，因此在銅互連中心線區(qū)域可能出現(xiàn)空洞缺陷，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。深寬比對(duì)硅通孔結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力具有顯著影響，隨著深寬比的增加，應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生變化，當(dāng)深寬比大于10時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)域?qū)?/p>

4、由銅互連頂部界面區(qū)域遷移至中心線區(qū)域，同時(shí)熱應(yīng)力值也大幅度的增加。
　?。?）基于參數(shù)化有限元模型對(duì)TSV互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)設(shè)計(jì)及單設(shè)計(jì)響應(yīng)的優(yōu)化。基于應(yīng)變梯度的材料本征效應(yīng)對(duì)TSV互連結(jié)構(gòu)熱力學(xué)性能有顯著影響，在對(duì)互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須足夠重視。對(duì)TSV互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果顯示，在初始模型一致的情況下，不同的優(yōu)化方法會(huì)得到不同的最優(yōu)解，優(yōu)化技術(shù)的選擇對(duì)優(yōu)化結(jié)果具有顯著影響，同時(shí)也說(shuō)明TSV結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有多峰性特點(diǎn)，TSV互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)