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硅通孔互连热应力的数值模拟及仿真试验设计

作　者: 徐成
导　师: 江五贵
学　校: 南昌航空大学
专　业: 材料工程
关键词: 硅通孔铜互连尺寸效应应变梯度试验设计
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

由于3D芯片集成具有高传输速度和小封装尺寸的优点，作为其关键技术的硅通孔技术（Through Silicon Vias，简称TSV），已被广泛应用于微电子系统。而铜互连线是TSV技术中典型的互连线之一。本文首先建立了热力耦合的塑性应变梯度的本构关系，并通过用户子程序UMAT嵌入到ABAQUS中进行互连结构的热应力分析，之后基于所建立的本构模型，结合参数化有限元方法和试验设计方法对TSV结构进行优化研究。主要工作和结论如下：（1）研究了完全填充铜TSV和填充聚合物TSV结构在退火时的热应力分布情况。结果显示两种TSV结构可能出现失效区域均集中在铜互连顶部界面处，该处热应力超过铜的屈服强度。相比完全填充铜TSV结构，填充聚合物TSV结构更可能出现热失配导致的应力失效。（2）建立了热力耦合的塑性应变梯度的本构关系，并通过用户子程序UMAT嵌入到ABAQUS中进行互连结构的热应力分析。同时与理想弹塑性互连解析解进行了对比，结果显示二者轴向应力值较为接近，而解析解所得径向应力则小的多。在不同通孔半径和通孔结构整体缩小的条件下，铜互连中心和顶部界面处均出现显著的尺寸效应，即在互连尺寸接近亚微米时，热应力随着半径减小而急剧增加的现象。通孔半径对静水应力有显著的影响，互连半径小于10微米时，铜互连中心位置始终保持较大静水应力，因此在铜互连中心线区域可能出现空洞缺陷，与实验结果一致。深宽比对硅通孔结构热应力具有显著影响，随着深宽比的增加，应力集中区域发生变化，当深宽比大于10时，应力集中区域将由铜互连顶部界面区域迁移至中心线区域，同时热应力值也大幅度的增加。（3）基于参数化有限元模型对TSV互连结构进行了试验设计及单设计响应的优化。基于应变梯度的材料本征效应对TSV互连结构热力学性能有显著影响，在对互连结构设计时必须足够重视。对TSV互连结构进行优化的结果显示，在初始模型一致的情况下，不同的优化方法会得到不同的最优解，优化技术的选择对优化结果具有显著影响，同时也说明TSV结构优化具有多峰性特点，TSV互连结构设计空间较大。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第一章绪论  8-16
  1.1 3D 封装技术发展概况  8-11
  1.2 硅通孔互连技术发展现状  11-14
  1.3 国内外研究现状  14-15
  1.4 主要研究内容  15-16
第二章硅通孔互连热应力分析  16-26
  2.1 引言  16-17
  2.2 硅通孔互连模型的建立  17-19
  2.3 模拟结果及讨论  19-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章基于低阶应变梯度塑性理论的互连热应力分析  26-48
  3.1 低阶应变梯度塑性理论介绍  26-27
  3.2 考虑热力耦合本构关系的低阶应变梯度塑性理论  27-30
    3.2.1 基于泰勒位错模型的低阶应变梯度塑性理论  27-28
    3.2.2 低阶应变梯度理论中引入热力耦合本构关系  28-29
    3.2.3 低阶应变梯度塑性理论的有限元实现  29-30
  3.3 硅通孔互连热应力理论值计算  30-33
    3.3.1 理想化互连结构模型  31
    3.3.2 弹性互连结构模型  31-32
    3.3.3 弹塑性互连结构模型  32
    3.3.4 理论值计算结果  32-33
  3.4 CMSG 塑性理论计算结果  33-46
    3.4.1 CMSG 计算结果与理论值比较  36-37
    3.4.2 尺寸效应对 TSV 结构热应力的影响  37-40
    3.4.3 TSV 结构整体缩小的热应力分布  40-42
    3.4.4 不同深宽比对 TSV 结构热应力的影响  42-46
  3.5 本章小结  46-48
第四章硅通孔互连结构的试验设计及优化  48-62
  4.1 引言  48
  4.2 试验设计  48-50
  4.3 多学科设计优化  50
  4.4 数值优化技术介绍  50-51
    4.4.1 Hooke-Jeeves 直接搜索法  50
    4.4.2 混合整型优化  50-51
    4.4.3 连续性规划  51
  4.5 试验设计及结构优化设计的基本步骤  51-53
    4.5.1 模型的准备  51-52
    4.5.2 任务的集成  52
    4.5.3 试验设计方法的选择  52-53
    4.5.4 集成优化方案完成优化运算  53
  4.6 试验设计过程  53-57
    4.6.1 试验设计参数的设定  53-54
    4.6.2 试验设计历程及结果分析  54-57
  4.7 优化设计及结果分析  57-59
    4.7.1 优化参数及优化技术的选择  57
    4.7.2 优化历程及结果分析  57-59
  4.8 本章小结  59-62
第五章结论与展望  62-64
  5.1 结论  62-63
  5.2 展望  63-64
参考文献  64-68
攻读硕士学位期间发表的论文  68-69
致谢  69-70

硅通孔互连热应力的数值模拟及仿真试验设计

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