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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。
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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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