面向TSV封装的抗热疲劳与高效散热关键技术研究

摘要

随着电子产品朝着高性能和微型化方向的不断发展，基于硅通孔(Through SiliconVia，TSV)互连的三维封装技术已经成为现代封装技术的重要发展方向。然而，三维堆叠封装使单位面积内的热耗散功率成倍增加，如果没有高效的散热方式及时地把热量传输到封装体外，随后的温度变化就会在封装体中产生一系列热效应，影响器件正常运行，功率器件三维封装尤其如此，需要认真研究加以解决。
　　本文围绕TSV封装的热可靠性开展研究工作。为了提高TSV封装中焊垫的热疲劳寿命，提出了一种应变隔离焊垫设计，可以避免焊垫与TSV高应力区域直接接触，减少塑性应变积聚，延长热疲劳寿命。同时为了从根本上解决三维封装所导致的高功耗热积聚问题，缓解温度变化引起的热效应，从提高TSV封装散热效果入手，在TSV封装结构中引入具有高效散热机制微通道散热器，通过强化散热抑制热效应发生。针对所采用的强化传热结构，包括肋片结构和凹槽结构，通过有限元分析方法，研究肋片的几何形状对微通道散热性能的影响，提出了一种嵌入转接板内部的同时具备肋片和凹槽两种强化传热结构的微通道散热器设计。随后利用MEMS工艺制备同时带有应变隔离焊垫和微通道散热器的新型转接板样品，最后通过附加模拟功率器件热效应的模拟热源对实验样机进行全面的测试与分析。
　　在总结国内外研究进展的基础上，本文面向TSV封装的抗热疲劳与高效散热关键技术开展研究工作，论文的主要工作内容如下：
　　1．提出了一种可以提高热疲劳寿命的应变隔离焊垫设计方案。采用ANSYS有限元分析软件对带有TSV结构的传统焊垫模型进行温度循环仿真，分析其失效主要原因。在此基础上设计了一种含有凸起结构的应变隔离焊垫，随后应用Manson-Coffin经验方程预测传统焊垫和应变隔离焊垫的热疲劳寿命。
　　2．提出了肋片和凹槽微结构强化的高效微通道散热器设计。通过FLUENT软件研究了肋片形状对微通道传热性能的影响。在此基础上，提出了一种同时具有肋片和凹槽强化结构的新型微通道散热器设计，以提升微通道散热器的散热效果，同样采用仿真软件重点分析了相对肋片高度对新型散热器性能的影响，给出了合理的散热器结构参数，为器件的制备提供理论依据。
　　3．提出一种同时带有应变隔离焊垫和高效微通道散热器的新型转接板设计。将应变隔离焊垫应用到Si转接板中，可以提高封装中焊垫的抗热疲劳能力；在转接板中嵌入高效微通道散热器，可以使热源芯片与散热器直接接触，减少热阻，进一步提高TSV封装的散热效果。
　　综合利用非硅微加工的厚胶（SU-8）成型工艺、非硅表面微加工工艺、硅微加工的深Si刻蚀工艺和TSV刻蚀/填充工艺，完成了兼具应变隔离焊垫和高效微通道散热器的新型转接板样品集成制造。
　　4．采用测试平台对包含附加模拟热源的新型转接板的实验样机进行了性能测试。结果表明：带有肋片结构和同时带有肋片和凹槽结构的微通道散热器的器件表面最高温度都比光滑微通道散热器的器件最高温度要小，因此本文设计的微通道散热器能为TSV封装提供更显著的散热效果。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

符号说明

第一章 绪 论

1.1三维封装技术的产生背景

1.2 三维封装技术

1.3 TSV封装的热效应

1.4 TSV三维封装的散热问题

1.5带有强化传热结构的散热器研究现状

1.6本论文的研究意义和主要内容

第二章 低应变焊垫结构与热疲劳寿命预测

2.1循环塑性模型

2.2传统焊垫的问题描述

2.3应变隔离焊垫的提出

2.4 疲劳寿命预测

2.5 本章小结

第三章 适用于TSV封装的高效散热微通道散热器

3.1 高效散热的微通道散热器设计

3.2液冷散热系统的构成

3.3强化传热机理

3.4数值计算方法

3.5肋片形状对微通道的流动和传热特性的影响

3.6同时带有肋片和凹槽结构的微通道散热器的结构参数优化

3.7 本章小结

第四章 带有应变隔离焊垫和微通道散热器的新型转接板设计及其制作工艺

4.1新型转接板设计

4.2单面热源和双面热源的新型转接板散热性能仿真

4.3 MEMS基本工艺研究

4.4 制作工艺流程

4.5 本章小结

第五章 新型转接板的测试与分析

5.1 测试平台搭建

5.2 实验方法和步骤

5.3新型转接板整体性能研究

5.4 焊垫的热疲劳寿命测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本论文的主要工作及结论

6.2 本文创新点小结

6.3 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

声明

答辩决议书