应用于三维叠层封装的硅通孔(TSV)建模及传热和加载分析

摘要

随着时代的发展，人们需要尺寸更小，功耗更低，性能更好的IC产品。电子封装技术从单层芯片的二维封装发展到多层芯片的三维堆叠。封装工艺也从引线键合发展到TSV(硅通孔)工艺。
　　 与此同时，三维叠层IC有很多关键性的问题，如：设计准则和应用软件不是普遍的适用，缺乏检测方法和应用设备，速率快的芯片和速率慢的芯片一起集成，大芯片和小芯片的集成，封装时要更小的焊球连接，芯片打薄处理过程的工艺，热处理问题，缺乏三维基础知识和标准等问题。而TSV技术必须在三维集成电路上实现，TSV技术的费用比引线键合技术更贵，TSV的大批量生产还不成熟，TSV技术要求更小的焊球，制作通孔时填充的铜与硅片导致热膨胀系数(CTE)失配，TSV技术的散热和应力问题等。所以传热问题和受力稳定性问题，成为限制叠层封装工艺发展的一大难题。本文基于叠层封装原理，做了以下工作：
　　 1.用ANSYS仿真软件分别建立单层功率芯片的金线键合工艺封装模型和基于倒装焊的TSV工艺封装模型。代入参数，对两种工艺模型进行传热仿真分析，比较两种工艺模型所得的最高温度。发现在等效TSV间距情况下，TSV工艺模型的温度比金线键合工艺模型的温度要低0.4～0.8℃，得出TSV工艺模型的散热效果更好的结论。
　　 2.利用热阻原理建立两种工艺模型的热路图，得出热阻方程，比较两种工艺热阻大小。发现TSV工艺模型散热效果更好的原因是该工艺的热阻更小所致。
　　 3.分析以上模型的不足，建立更符合实际的模型并做传热仿真，发现新模型里仍然是TSV工艺模型的散热效果更好。建立两种模型的热路图，比较热阻大小，找出了原因。
　　 4.最后设计了TSV工艺的加载模型并仿真，发现边界处的焊球是模型最危险的地方。