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穿透硅通孔结构湿热问题的数值分析

作　者: 俞箭飞
导　师: 江五贵
学　校: 南昌航空大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 硅通孔 铜互连 有限元 热 湿 分子动力学
分类号: TN405
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着人们对电子产品的多功能、高速度、低功耗等的需求的增大，作为最先进应用最广泛的穿透硅通孔（TSV，Through Silicon Vias）互连技术暴露出的热问题、信号延迟与串扰等问题日益明显。人们发现用低介电常数（k）材料替代传统TSV结构中二氧化硅（SiO2）介电层可以有效地改善信号延迟与串扰问题，并且热问题也能得到缓解。但是，由于低k材料的吸湿性引入了新的湿气相关问题。首先，基于ABAQUS，建立了传统SiO2基TSV结构和氢基硅氧烷（HSQ，Hydrogen Silsesquioxane）基TSV结构的二维有限元模型，分析了因热膨胀的不匹配引入的热等效应力、湿膨胀不匹配引入的湿等效应力以及湿和热膨胀都存在时的湿-热等效应力，并对这两种TSV结构进行了对比。结果表明，使用HSQ取代传统的SiO2可以显著改善TSV结构的热不匹配应力，虽然湿气的吸收会引入湿不匹配应力，但即使是在环境湿度最大时HSQ基TSV结构整体的最大的湿―热等效应力水平还是要低于SiO2基TSV结构的最大热等效应力水平。湿不匹配应力，主要增加了硅（Si）上的等效应力水平，而对互连导线铜（Cu）上的等效应力水平影响不大。与SiO2基TSV结构相比，HSQ基TSV结构具有更好的热稳定性，互连导线Cu上的等效应力水平得到显著的改善。因此，合理地设计HSQ和Si层的工艺，HSQ基TSV结构将有更好的应用前景。其次，我们用分子动力学方法（MD）探讨了HSQ的吸湿参数。HSQ吸湿性能对互连结构的可靠性有重要影响，由于吸湿参数的实验测定过程成本较高，过程较复杂，还可能存在一定的误差。为此，我们建立了不同湿度下的分子动力学模型，运行NPT计算后得到了HSQ在不同温度下的湿扩散系数，并发现其与温度呈明显的线性关系，线性关系为1/1×10-12y=0.00881x+7.42328。通过分析元胞晶格长度的变化得出了不同湿度HSQ体系在25，225和345℃的湿应变，并计算得出湿应变变化率，即湿膨胀系数为5.63×10-3、7.78×10-3和9.79×10-3。MD模拟结果与相近材料实验结果吻合较好。此外，采用MD方法，通过计算体积与温度的曲线的转折点得出HSQ的玻璃化转变温度为309.6℃，以及通过应力应变涨落方法探讨了HSQ在0-400℃温度下的拉伸模量、泊松比、体积模量和剪切模量的变化规律。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-8
第一章 绪论  8-19
  1.1 三维微电子封装技术概况  8-11
  1.2 硅通孔互连技术概况  11-16
    1.2.1 3D 互连技术的发展  11-12
    1.2.2 硅通孔技术  12-14
    1.2.3 低介电常数材料在 TSV 技术中的应用  14-16
  1.3 国内外研究现状  16-18
  1.4 本文主要研究内容  18-19
第二章 穿透硅通孔结构的湿-热应力有限元分析  19-31
  2.1 引言  19
  2.2 有限元模型  19-21
  2.3 湿应力模型  21-23
  2.4 热应力模型  23-24
  2.5 结果与讨论  24-29
    2.5.1 湿应力分析与讨论  24-25
    2.5.2 热应力分布  25-26
    2.5.3 湿-热应力综合作用分析  26-28
    2.5.4 Cu 直径对湿热应力状态的影响  28-29
  2.6 本章小结  29-31
第三章 分子模拟基础理论  31-39
  3.1 分子模拟  31-37
    3.1.1 分子力学模拟  32-36
    3.1.2 分子动力学模拟  36-37
    3.1.3 分子动力学元胞和周期性边界条件  37
  3.2 扩散系数  37-39
第四章 氢基半硅氧烷吸湿参数分子动力学研究  39-49
  4.1 引言  39-40
  4.2 HSQ 分子动力学分析  40-48
    4.2.1 HSQ 湿扩散系数分子动力学分析  40-43
    4.2.2 HSQ 湿应变分子动力学分析  43
    4.2.3 结果与讨论  43-48
  4.3 本章小结  48-49
第五章 氢基半硅氧烷的力学性能分子动力学研究  49-54
  5.1 引言  49
  5.2 分子动力学模型  49-50
  5.3 模拟过程  50
  5.4 模拟结果与讨论  50-53
    5.4.1 玻璃态转变温度  50
    5.4.2 弹性常数  50-53
  5.5 本章小结  53-54
第六章 结论与展望  54-56
  6.1 结论  54-55
  6.2 展望  55-56
参考文献  56-60
攻读硕士学位期间发表的论文  60-61
致谢  61-62

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路（IC） > 一般性问题 > 制造工艺
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