基于TSV的3D-SIP多物理场耦合分析研究

摘要

随着芯片封装向着工艺尺寸微小化、功能集成化及工作速度高速化方向的快速发展,基于硅通孔技术(Through Silicon Via,TSV)的三维叠层封装(3D-SIP)技术成为了当前重要的发展方向。基于 TSV的3D-SIP采用了垂直的互连方式,可以有效地提高封装密度、降低功耗、减小噪声及提高系统可靠性。但是,由于3D-SIP中采用了垂直互连方式,使得其特征尺寸更小、极大地增加了布局密度,并且随着芯片工作频率的不断提高,复杂工作环境中的多物理场(Multi-physics field)(主要是电磁场、热场及结构场)问题越来越明显,严重的影响了基于 TSV的3D-SIP封装的可靠性并制约了 TSV技术的发展。因此,基于 TSV的3D-SIP的多物理场分析是一个迫切需要解决的问题。
　　针对这个问题,本文在建立了基于 TSV的3D-SIP中电磁-热-结构三场耦合的数学分析模型的基础上,采用虚位移原理对所建立的模型进行偏微分方程弱解形式的推导,利用有限元方法对基于 TSV的3D-SIP中的电磁-热-结构多物理场问题进行了分析研究,具体工作有以下几点:
　　1.通过对电磁场、热场及结构场基础理论建立基于 TSV的3D-SIP中的电磁-热-结构多物理场问题分析的数学模型,对所建立的数学模型进行推导,转化成本文有限元分析中使用到的偏微分方程的弱解形式;
　　2.研究了单个 TSV在高斯电压脉冲注入下,填充型、环形及带绝缘层型三种 TSV结构在耦合作用下及不考虑耦合作用下的结果进行比较,并分析了不同宽高比的 TSV中的电磁-热-结构耦合特性;
　　3.在多物理场耦合情况下对 TSV之间的热串扰问题进行分析研究,并以 TSV之间的距离为参数研究了距离对其电磁-热-结构耦合特性的影响;
　　4.对两层基于带绝缘层型 TSV的3D-SIP结构进行了电磁-热-结构多物理场耦合特性分析。运用统计学软件 MINITAB进行了基于带绝缘层型 TSV的3D-SIP在电磁-热-结构耦合环境下最高温度、最大等效应力与 TSV结构参数之间关系的多元二次非线性回归分析,得到了基于带绝缘层型 TSV的3D-SIP中最高温度、最大等效应力特性的参数模型。
　　通过本文对基于 TSV的3D-SIP中电磁-热-结构多物理场耦合问题的分析,可以清楚地认识到多物理场耦合分析在基于 TSV的3D-SIP设计中的重要作用,从本质上掌握多物理场的作用原理。研究结果对提高基于 TSV的3D-SIP的设计能力、性能及其可靠性起着非常重要的作用。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景

§1.2 研究意义

§1.3 TSV及其制作工艺

§1.4 国内外研究现状

§1.5 论文研究思路与章节安排

第二章 基于 TSV 的 3D-SIP 中的多场耦合问题

§2.1 基于 TSV 的 3D-SIP 中电磁-热-机械耦合关系分析

§2.2 单一物理场基本理论

§2.3 本章小结

第三章 TSV 的多场耦合特性分析

§3.1 电磁-热-结构多物理场耦合数学模型的建立

§3.2 数学模型的“弱”解形式推导

§3.3 TSV 的多物理场分析

§3.4 不同的 TSV 径高比的条件下单个 TSV 的多物理场分析

§3.5 单层芯片中 TSV 的热串扰研究

§3.6 本章小结

第四章 基于 TSV 的 3D-SIP 中的多物理场分析及其结构参数模型的建立

§4.1 基于 TSV 的 3D-SIP 中的多物理场分析

§4.2 正交试验设计条件下基于 TSV 的 3D-SIP 结构参数模型

§4.3 TSV 参数模型的建立

§4.4 本章小结

第五章 全文总结与展望

§5.1 全文总结

§5.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果