硅通孔(TSV)转接板微组装技术研究进展

以硅通孔(TSV)为核心的三维集成技术是半导体工业界近几年的研发热点,特别是2.5D TSV转接板技术的出现,为实现低成本小尺寸芯片系统封装替代高成本系统芯片(So C)提供了解决方案。转接板作为中介层,实现芯片和芯片、芯片与基板之间的三维互连,降低了系统芯片制作成本和功耗。在基于TSV转接板的三维封装结构中,新型封装结构及封装材料的引入,大尺寸、高功率芯片和小尺寸、细节距微凸点的应用,都为转接板的微组装工艺及其可靠性带来了巨大挑战。综述了TSV转接板微组装的研究现状,及在转接板翘曲、芯片与转接板的精确对准、微组装相关材料、工艺选择等方面面临的关键问题和研究进展。     

2.5D硅转接板关键电参数测试技术研究

硅转接板是3D IC中实现高密度集成的关键模块,获取其技术参数对微系统的设计至关重要.以实际研制的一种2.5D硅转接板为研究对象,对大马士革铜布线(Cu-RDL)、硅通孔(TSV)关键电参数的测试结构与测试方法进行了研究,并对TSV电参数测试结构的寄生电容进行了分析.研究结果表明,研制的2.5D硅转接板中10 μm×8...     

3D堆叠封装硅通孔结构的电-热-结构耦合分析

硅通孔(TSV)技术作为三维封装的关键技术,其可靠性问题受到广泛的关注。基于ANSYS平台,通过有限元方法,对3D堆叠封装的TSV模型进行了电-热-结构耦合分析,并进一步研究了不同的通孔直径、通孔高度以及介质隔离层SiO_2厚度对TSV通孔的电流密度、温度场及热应力分布的影响。结果表明:在TSV/微凸点界面的拐角处存在较大的电流密度和等效应力,容易引起TSV结构的失效;增大通孔直径、减小通孔长度可以提高TSV结构的电-热-机械可靠性;随着SiO_2层厚度的增加,通孔的最大电流密度增大而最大等效应力减小,需要综合考虑合理选择SiO_2层厚度。     

2.5D封装结构回流焊过程热应力分析

对一种典型2.5D封装结构在回流焊工艺过程的热应力进行仿真。通过对比分析传统热力学仿真方法与基于生死单元技术的热力学仿真方法,研究了计算方法对热应力计算结果的影响。在相同参考温度下,由不同计算方法得到的硅通孔(TSV)转接板应力结果相差不大,从焊球应力结果可推测出,基于生死单元技术的热力学仿真方法考虑了残余应力的累积模拟更适合于回流焊过程的热应力仿真。研究了2.5D封装回流焊过程中参考温度的选择对计算结果的影响,选用最高参考温度作为各个组件的参考温度,通常得到TSV转接板的应力值偏大,模拟的结果会更加偏于激进。通过对2.5D封装结构回流焊过程进行热应力分析,对比分析了计算模拟方法和参考温度的选择对最终计算结果的影响。该方法同样可用于指导其他同类2.5D封装结构应力的计算和分析。     

基于热电耦合激励的TSV三维封装内部缺陷识别方法研究

由于硅通孔互连(Through Silicon Via,TSV)三维封装内部缺陷深藏于器件及封装内部,采用常规方法很难检测.然而TSV三维封装缺陷在热-电激励的情况下可表现出规则性的外在特征,因此可以通过识别这些外在特征达到对TSV三维封装内部缺陷进行检测的目的 .文章利用理论与有限元仿真相结合,对比了正常TSV与典型缺陷TSV的温度分布,发现了可供缺陷识别的显著差异.分析结果表明,在三种典型缺陷中,含缝隙TSV与正常TSV温度分布差异最小;其次为底部空洞TSV,差异最大的为填充缺失TSV.由此可知,通过检测热-电耦合激励下的TSV封装外部温度特征,可实现TSV三维封装互连结构内部缺陷诊断与定位.     

基于TSV硅转接板封装结构的力学可靠性分析

TSV硅转接板是3D IC封装技术的一项重要应用,其力学可靠性是影响系统集成的关键问题。以某TSV硅转接板封装结构为对象,采用有限元方法开展了封装、服役过程中应力应变特性和热疲劳寿命研究,分析了基板材料对封装结构力学可靠性的影响,提出了基板材料优选思路。论文提出的分析方法可用作此类封装结构设计优化以及结构力学可靠性初步验证的手段,可以提高设计效率,缩短研制周期。     

TSV 的电磁-热-结构耦合分析研究

基于三场的控制方程建立了电磁场、热场及结构场耦合分析的数学模型,推导出其等效积分“弱”解形式,研究了 TSV（Through Silicon Via,硅通孔技术）电磁-热-结构的多物理场耦合效应,分析了高斯脉冲加载条件下TSV 的温度和等效应力分布情况。仿真结果表明,在考虑三场耦合的情况下得到的结果更为准确,这将有助于 TSV的设计及对其性能进行相应的预测。     

面向微系统集成的高可靠陶瓷封装设计与仿真

微系统技术在集成设计、特性评估方面存在诸多难题,以一款采用2.5D TSV、芯片堆叠技术的微系统陶瓷封装为研究对象,详细阐述了微系统封装方案设计、电学布局布线设计、热学设计以及电学、热学、力学仿真分析等内容,并介绍了如何针对仿真分析结果开展结构的优化设计,以获得更好的封装性能,对面向微系统集成的高可靠陶瓷封装设计与仿真...     

高速高密度光电共封装技术

分析了高速高密度光电共封装中2.5D、3D集成技术,提出并验证了2种2.5D光电共封装结构:采用硅转接板的光电共封装和采用玻璃转接板的2.5D结构,经仿真得到在40 GHz工作时可以实现较低的插入损耗,并进行了工艺验证,制备了硅转接板和玻璃转接板样品。还提出了一种新型基于有机基板工艺的3D光电共封装结构,该结构相比其他2.5D和3D结构尺寸更小、更薄,设计更灵活。对该结构进行了工艺验证,制作了光探测器(PD)与跨阻放大器(TIA)共同集成的三维光电共封装样品。     

一种用于微系统微焊点层的改进等效力学参数计算方法

随着电子产品不断向微型化、集成化发展,基于硅通孔（TSV）的2.5D和3D封装等先进封装技术被广泛应用于微系统集成.然而,数量众多的微米级焊点和毫米级管壳封装使得微系统结构呈现多尺度特征,极大增加了仿真分析难度、降低了计算效率,亟需通过微焊点层的等效力学参数均匀化计算以建立简化模型减少计算量.采用理论分析与有限元仿真两种方法分别计算微焊点层等效力学参数,并对比分析两种方法计算结果差异.最后,结合有限元方法计算值,提出了一种改进等效力学参数均匀化计算方法,高效且精确给出微焊点层等效力学参数,为微系统封装结构的仿真分析评估提供技术支撑.     

硅基微波毫米波收发芯片封装结构研究

借助硅基转接板来实现芯片互连的2.5D/3D封装技术是目前广泛应用的一种封装方式,其电磁损耗是影响系统集成的关键问题.以一种基于硅基转接板的封装结构为对象,根据理论分析对硅基转接板进行挖腔预处理.通过对该结构进行建模仿真,得出封装结构的电性能指标.最后利用该结构分别封装一个微带直通线和一款收发芯片,并对实际的电性能进行...     

三维堆叠封装TSV互连结构热扭耦合应力分析与优化

建立了三维硅通孔(TSV)芯片垂直堆叠封装结构有限元分析模型,对模型在热扭耦合加载下进行了仿真分析;分析了TSV材料参数与结构参数对TSV互连结构热扭耦合应力的影响;采用了响应面与模拟退火算法对在热扭耦合加载下TSV互连结构参数进行优化设计。结果表明：TSV互连结构最大热扭耦合应力应变位于铜柱与微凸点接触面外侧;微凸点材料为SAC387时,TSV互连结构热扭耦合应力最大,该应力随SiO₂层厚度的增大而增大,随铜柱直径的增大而先增大后减小,随铜柱高度的增大而减小;最优参数水平组合为铜柱直径50μm、铜柱高度85μm、SiO₂层厚度3μm,优化后的最大热扭耦合应力下降了5.3%。     

基于热-结构耦合的3D-TSV互连结构的应力应变分析

建立了3D-TSV(硅通孔)互连结构三维有限元分析模型,对该模型进行了热-结构耦合条件下的应力应变有限元分析,研究了TSV高度和直径对3D-TSV互连结构温度场分布及应力应变的影响。结果表明:随着TSV高度和直径的增大,3D-TSV叠层芯片封装整体、焊球、间隔层、芯片和TSV及微凸点处的最高温度均逐渐降低,TSV高度和直径的增加在一定程度上有利于降低封装体各部分最高温度;随着TSV高度的增加,TSV及微凸点互连结构内的应力应变呈增大趋势。     

基于TSV倒装焊与芯片叠层的高密度组装及封装技术

系统级封装（Si P）及微系统技术能够在有限空间内实现更高密度、更多功能集成,是满足宇航、武器装备等高端领域电子器件小型化、高性能、高可靠需求的关键技术。重点阐述了基于硅通孔（TSV）转接板的倒装焊立体组装及其过程质量控制、基于键合工艺的芯片叠层、基于倒装焊的双通道散热封装等高密度模块涉及的组装及封装技术,同时对利用TSV转接板实现多芯片倒装焊的模组化、一体化集成方案进行了研究。基于以上技术实现了信息处理Si P模块的高密度、气密性封装,以及满足多倒装芯片散热与CMOS图像传感器（CIS）采光需求的双面三腔体微系统模块封装。     

基于TSV技术的硅光转接板器件的研究

基于硅通孔(Through silicon via,TSV)技术的硅光转接板是实现2.5D/3D光电混合集成方案之一,TSV和再分布层(Redistribution layer,RDL)是集成系统中信号传输的关键组件。对基于硅光转接板的光电混合集成技术进行了介绍,研究了接地TSV排布对基于SOI衬底的TSV_RDL链路传输性能的影响,并展示了带有TSV_RDL链路结构的光电探测器的高频特性。该探测器3 dB带宽可以达到31 GHz,为基于硅光转接板的2.5D/3D光电混合集成的实现奠定了基础。     

基于COMSOL Multiphysics的硅通孔信号传输性能分析

通过分析信号-地TSV物理结构,提出可扩展等效电路模型,并用数学表达式表示出电容电感等电学参数。然后用多物理场耦合三维仿真软件COMSOL Multiphysics仿真信号-地TSV三维模型,并将COMSOL Multiphysics软件仿真分析得到的插入损耗结果和数学模型得到的结果作比较,验证建立的等效电路模型的准确性。最后,分析信号-地TSV半径、高度与间距对其插入损耗的影响。结果表明,信号-地TSV互连结构的传输性能随着半径的增大变得越好,随着其间距和高度的增加而变得越差。     

空心硅通孔的设计及其传输性能

硅通孔(TSV)能够实现信号的垂直传输,是微系统三维集成中的关键技术,在微波毫米波领域,硅通孔的高频传输特性成为研究的重点。针对微系统三维集成中,无源集成的硅基转接板的空心TSV垂直传输结构低损耗的传输要求,进行硅通孔的互连设计和传输性能分析。采用传输线校准方式,首先在硅基转接板上设计TSV阵列接地的共面波导(CPW)传输线和带TSV过孔的传输结构,并分别进行仿真分析,计算得出带TSV过孔的传输结构的插入损耗;然后通过后道TSV工艺,在硅基转接板上制作传输线和带TSV过孔的传输结构,用矢量网络分析仪法测试传输线和带TSV过孔的传输结构的插入损耗;最后计算得到单个TSV过孔的插入损耗,结果显示在0.1～30 GHz频段内其插入损耗S21≤0.1 dB,实现了基于TSV的低损耗信号传输。     

2.5D系统封装中高速I/O链路信号/电源完整性协同仿真

提出了一种2.5维（2.5D）系统封装高速输入/输出（I/O）全链路的信号/电源完整性（Signal integrity/power integrity,SI/PI）协同仿真方法。首先通过电磁全波仿真分析SiP内部“芯片I/O引脚-有源转接板-印刷电路板（即封装基板）-封装体I/O引脚”这一主要高速信号链路及相应的转接板/印刷电路板电源分配网络（Power distribution network,PDN）的结构特征和电学特性，在此基础上分别搭建对应有源转接板和印刷电路板两种组装层级的“信号链路+PDN”模型，并分别进行SI/PI协同仿真，提取出反映信号链路/PDN耦合特性的模块化集总电路模型，从而在电路仿真器中以级联模型实现快速的SI/PI协同仿真。与全链路的全波仿真结果的对比表明，模块化后的协同仿真有很好的可信度，而且仿真时间与资源开销大幅缩减，效率明显提升。同时总结了去耦电容的大小与布局密度对PDN电源完整性的影响及对信号完整性的潜在影响，提出了去耦电容布局优化的建议。     

基于COMSOL的TSV电感多物理场耦合特性研究

基于硅通孔(TSV)技术,提出了应用于三维集成电路的三维螺旋电感.在实际应用中,TSV电感存在电场、温度场和力场之间的相互耦合,最终会影响TSV电感的实际电学性能.考虑P型和N型两种硅衬底材料,采用COMSOL仿真软件,对TSV电感进行多物理场耦合研究.结果表明,在P型硅衬底情况下,多物理场耦合的影响更大,TSV电感的...     

TSV的工艺缺陷诊断与分析

随着3D集成封装的发展,硅通孔(TSV)成为实现3D堆叠中最有前景的技术之一.通过通孔和微凸点实现上下堆叠IC之间的垂直电连接,先进的TSV技术能够满足3D SIP异构集成、高速宽带、小尺寸及高性能等要求.然而,作为新型互连技术,TSV技术面临许多工艺上的困难和挑战,其可靠性没有得到充分的研究和保证.识别缺陷、分析失效机理对TSV三维集成器件的设计、生产和使用等各环节的优化和改进具有重要作用.对不同形状、不同深宽比的TSV通孔边界层进行了微观物理分析,对通孔形状、边界层均匀性等方面进行了评价,分析了各种工艺缺陷形成的物理机制以及可能带来的失效影响.最后根据其产生的原因提出了相应的改进措施.