多环境下硅通孔互连结构可靠性技术研究-机械工程专业论文.docxVIP

摘要 摘要 万方数据 万方数据 摘要 硅通孔(Through Silicon Via，TSV)互连结构的可靠性直接影响三维封装器件 的性能，对 TSV 互连结构在各种环境下进行可靠性展开研究有着非常重要的意 义。本文以采用 TSV 互连结构的 3D-TSV 叠层芯片封装器件为对象，应用有限 元数值仿真点的方法分析了 TSV 互连结构在随机振动、热-结构耦合及温-振耦合 等条件下的可靠性，并对随机振动条件下 TSV 互连结构进行了多因素多目标优 化设计。 首先，使用 ANSYS 软件建立了采用 TSV 互连结构的 3D-TSV 叠层芯片封 装结构有限元模型，分析在随机振动条件下 TSV 互连结构的应力应变响应。研 究结果表明：在随机振动条件下，位于芯片最远角点处的 TSV 互连结构应力应 变最大；TSV 高度不仅仅影响 TSV 互连结构的最大应力应变值，还影响 TSV 互 连结构应力应变的分布规律，在所选高度范围内，75μm 时 TSV 互连结构的最大 应力值最小；微凸点材料为无铅焊料 SAC387 时 TSV 互连结构的随机振动可靠 性优于微凸点材料为铜；在所选的四种焊料中，针对微凸点而言，有铅焊料 Sn63Pb37 本身的随机振动特性最好，针对整个 TSV 互连结构体系而言，焊料为 SAC387 时 TSV 互连结构的应力应变均为最小，随机振动性能最佳。 然后，正交试验设计方差分析得到 TSV 高度对随机振动条件下 TSV 互连结 构的等效应力影响显著，并且得到各个因素影响排序为 TSV 高度TSV 直径微 凸点直径微凸点高度；基于正交试验与灰色关联分析相结合方法的多因素多目 标优化设计得到最优参数水平组合为：TSV 高度为 50μm，TSV 直径为 40μm， 微凸点高度为 10μm，微凸点直径为 70μm；通过与原始模型以及正交试验表格 中各组合的随机振动分析结果对比可知，最优组合的四种优化目标均得到了不 同程度的优化，因此，通过运用正交试验和灰色关联分析相结合方法实现了 TSV 互连结构的多目标优化。 最后，对 TSV 互连结构进行热-结构耦合分析和温-振耦合分析，并对两种条 件下不同尺寸参数的 TSV 互连结构可靠性进行分析。研究结果表明，在 TSV 互 连结构的实际工作和应用过程中，想要获得更小尺寸更高可靠性的 TSV 互连结 构，必须要考察温度效应和尺寸效应对 TSV 互连结构热-结构耦合及温-振耦合可 靠性的影响。 本文的研究成果为 TSV 互连技术的实际应用和发展提供可靠性理论基础和 技术支持。 关键词：硅通孔；随机振动；灰色关联；热-结构耦合、温-振耦合 I Ab Abstract Abstract The reliability of TSV (Through Silicon Via) interconnect structure directly affect the performance of the three-dimensional package device, therefore it has very important significance to study the reliability of TSV interconnect structure. This paper using the finite element numerical simulation method to study the reliability of TSV interconnect structure in 3D-TSV stacked chip package structure from random vibration reliability, thermal-structure coupling and temperature-vibration coupling reliability. And to optimize design TSV interconnect structure multifactorial and multi-objective under random vibration load. Firstly, the 3D finite element analysis models of 3D-TSV interconnect structure were developed. By using ANSYS the finite element analysis of the stress and strain distribution in the model was performed under random vibration load. The re