錫鉛銀填充TSV的熱應(yīng)力仿真*

韓志成， 淦華， 葉蘭松， 肖錦星，朱智源， 張洪澤， 郭靖

1. 西南大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 重慶 400715； 2. 電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610036；3. 中國人民解放軍63850部隊， 吉林 137000； 4. 南京電子器件研究所， 南京 210008

TSV(Through Silicon Via， 硅通孔)是目前三維芯片封裝中實(shí)現(xiàn)多層芯片垂直互連功能的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]， TSV是在不同的芯片間刻蝕垂直方向上互通的通孔， 并向通孔中淀積金屬來實(shí)現(xiàn)芯片間電學(xué)互連[3-4]， 和以前的封裝技術(shù)不同， TSV技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在垂直方向堆疊多層芯片， 從而極大地提高芯片的堆疊密度， 大大縮小尺寸， 并且可以極大地提高芯片的運(yùn)行速度和降低功耗[5-6]．

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展， 集成電路的集成度不斷提高， 封裝技術(shù)也在朝著高集成度、 三維封裝方向發(fā)展[7]， 其中TSV技術(shù)的三維封裝是先進(jìn)封裝技術(shù)的前沿和熱點(diǎn)之一， 基于TSV技術(shù)的三維封裝具有高集成度、 高性能、 低功耗等特點(diǎn)， 但也存在著很多的挑戰(zhàn)． 由于封裝系統(tǒng)內(nèi)各種材料的熱膨脹系數(shù)存在較大差異以及熱傳導(dǎo)系數(shù)各不相同， 在焦耳熱的影響下， 會在封裝系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力， 這種熱應(yīng)力會引起芯片局部的斷裂和芯片的翹曲[8]， 由于引入TSV結(jié)構(gòu)而引起的熱應(yīng)力、 形變等問題是TSV技術(shù)最主要的挑戰(zhàn)， 而利用仿真軟件模擬可以很好地幫助研究芯片的熱應(yīng)力和微加工問題[9-12]．

除了芯片層間連接可使用TSV技術(shù)， 芯片與芯片基板之間也可以使用TSV技術(shù)進(jìn)行連接． 在眾多基板材料中， 低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic， LTCC)以其優(yōu)異的封裝性能和介電性能， 在無線通信設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用[13-14]． LTCC基板可以提高布線密度和信號傳輸速度， 其熱膨脹系數(shù)可以做到和硅器件接近， 對安裝裸片硅器件非常有利， 且可以內(nèi)埋無源元件， 形成立體高密度組件[15]． 本文研究的三維芯片采用的是以LTCC為基板， 使用TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片間及芯片與基板之間的互聯(lián)， TSV中的填充金屬使用的是錫鉛銀合金．

本研究利用仿真軟件對TSV芯片在高溫工作下的熱應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行了仿真分析， 模擬應(yīng)力與實(shí)測應(yīng)力之間的差異主要是受殘余應(yīng)力的影響[16]， 通過對室溫下殘余應(yīng)力測量值的補(bǔ)償， 模擬得到的徑向和軸向熱應(yīng)力與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合較好， 驗(yàn)證了模擬方法的有效性． 通過設(shè)計4種不同TSV數(shù)量和分布的模型， 對芯片的熱應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行仿真分析， 對比仿真的結(jié)果， 找出較為優(yōu)化的參數(shù)設(shè)計．

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文研究的三維芯片采用的是以LTCC為基板的三維堆疊芯片， 并使用TSV技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片間及芯片與基板之間的互聯(lián)．

TSV中填充金屬使用的是62.5Sn37Pb0.5Ag， 錫鉛共晶或近共晶釬料熔點(diǎn)較低， 在對通孔進(jìn)行填充時， 可以有效降低加工溫度， 提高芯片的良品率． 由于加工時溫度相對較低， 也可以使芯片在堆疊后再進(jìn)行填充， 使芯片間具有更好的連接性， 在錫鉛合金中加入少量Ag可以提高錫鉛合金的蠕變壽命．

器件結(jié)構(gòu)如圖1所示， 器件是由TSV芯片、 基板及底板構(gòu)成， TSV所構(gòu)成的通孔貫穿芯片與基板， 并在通孔中填充金屬材料． 在這個模型中， TSV芯片是正方體， 其邊長為5 mm， 芯片的厚度是100 μm， 基板使用LTCC， 厚度為100 μm， TSV的直徑為250 μm． 基板下的底板輔助模擬器件裝載在電路板時的散熱．

圖1 器件結(jié)構(gòu)

2 仿真設(shè)置

2.1 模型設(shè)置

運(yùn)用COMSOL傳熱中的熱應(yīng)力研究模塊對此器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力仿真， 三維模型如圖2所示．

圖2 三維模型

仿真做如下設(shè)置： ① 忽略Ti/W阻擋層和Cu種子層． ② 忽略基板對TSV熱應(yīng)力及應(yīng)變的影響． ③ 芯片四角設(shè)置了導(dǎo)角， 降低計算誤差． ④ 忽略了封裝過程中的殘余應(yīng)力和應(yīng)變． 在實(shí)際情況中， 對于封裝體的不同區(qū)域與材料， 其對應(yīng)的零應(yīng)力溫度是不相同的， 為了簡便起見， 在建模仿真的過程中， 將封裝體的零應(yīng)力溫度設(shè)定為25 ℃．

為了研究該模型下TSV在芯片不同位置的熱應(yīng)力以及不同分布及數(shù)量對TSV芯片熱應(yīng)力的影響， 該研究建立了4種模型進(jìn)行對比分析． 第一種模型： TSV芯片內(nèi)均勻分布6×6個通孔， 通孔與通孔之間的距離及通孔至芯片外側(cè)的距離相等． 第二種模型： TSV芯片內(nèi)均勻分布4×4個通孔， 其分布方式也為均勻分布． 通過對第一、 二種模型進(jìn)行對比分析， 研究通孔在均勻分布下， 通孔的數(shù)量及孔間距離對TSV芯片熱應(yīng)力的影響． 第三種模型： TSV芯片內(nèi)分布4×4個通孔， 通孔分布在芯片中心， 通孔與芯片外側(cè)距離較大， 通孔之間的距離與第一種模型相等， 主要研究分布在芯片中心的通孔對TSV芯片的熱應(yīng)力的影響． 第四種模型： TSV芯片有20個通孔， 通孔之間的距離與第一種模型相等， 均勻分布在芯片外側(cè)， 主要研究分布在芯片外側(cè)的通孔對TSV芯片的熱應(yīng)力的影響．

2.2 材料屬性定義

TSV芯片使用單晶硅， 其熱膨脹系數(shù)為2.6×10-6K-1， 恒壓熱容為700 J/(kg·K)， 密度為2 329 kg/m3， 楊氏模量為170 GPa， 泊松比為0.28．

單晶硅的導(dǎo)熱系數(shù)較高為131 W/(m·K)， 但在實(shí)際使用時， 芯片的散熱不只是受單晶硅的導(dǎo)熱系數(shù)影響， 散熱也會受到單晶硅外的二氧化硅絕緣層及外部封裝影響， 所以在計算時， 將芯片的導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為1.38 W/(m·K)．

基板使用LTCC， 其熱膨脹系數(shù)為7×10-6K-1， 恒壓熱容為900 J/(kg·K)， 密度為2.5 kg/m3， 導(dǎo)熱系數(shù)為2 W/(m·K)， 楊氏模量為85 GPa， 泊松比為0.28．

填充金屬使用62.5Sn37Pb0.5Ag， 錫鉛銀合金在不同溫度時， 其材料屬性也會有變化， 在20 ℃時． 熱膨脹系數(shù)為2.4×10-5K-1， 恒壓熱容為188 J/(kg·K)， 密度為8 400 kg/m3， 導(dǎo)熱系數(shù)為50 W/(m·K)， 楊氏模量為42.1 GPa， 泊松比為0.4．

2.3 網(wǎng)格劃分

為了提高運(yùn)算速率， 設(shè)置最大單元格為0.18， 曲率因子為0.2， 最大單元增長率為1.3． 而在部分TSV設(shè)置的最大單元格為0.08， 曲率因子為0.1， 以得到更多的計算結(jié)果數(shù)據(jù)而方便分析， 網(wǎng)格劃分如圖3．

2.4 數(shù)值計算方法

為了獲得TSV穩(wěn)態(tài)下的熱應(yīng)力， 需對三維仿真模型中的熱傳導(dǎo)方程及熱應(yīng)力方程進(jìn)行聯(lián)立求解[17]， 在此三維仿真模型中， 熱傳導(dǎo)穩(wěn)態(tài)求解方程為

·(-kT)=Q

(1)

模型與外部環(huán)境采用對流熱通量進(jìn)行計算， 方程為

q0=-h·(T-Text)

(2)

其中h是導(dǎo)熱系數(shù)，Text是外部環(huán)境溫度．

在此模型中， 芯片模擬為均勻發(fā)熱， 熱源直接由熱耗率計算熱通量：

(3)

其中V為芯片體積，P0為熱損耗功率．

根據(jù)Hook定律， 此模型穩(wěn)態(tài)時熱應(yīng)力方程為

(4)

3 仿真結(jié)果

運(yùn)用COMSOL傳熱中的熱應(yīng)力研究模塊對設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱應(yīng)力仿真， 使用穩(wěn)態(tài)分析． TSV芯片的等溫線分布如圖4所示， 可以看出熱源區(qū)域最高溫度為82 ℃， 芯片邊緣溫度為79 ℃， 芯片中間區(qū)域的溫度最高， 從芯片中心到外圍溫度逐漸降低， 形成這樣的溫度分布的原因是由于硅外層覆蓋的絕緣層和封裝的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低， 芯片越靠近外側(cè)， 表面積與體積的比值越大， 芯片外側(cè)能夠更好的散熱， 因此， 若考慮熱輻射計算， 溫度分布將更明顯．

圖4 等溫線分布

設(shè)置形變放大倍數(shù)100倍， 芯片的應(yīng)力分布如圖5所示． 從芯片的應(yīng)力分布圖可以看出， 每個TSV的最大應(yīng)力分布位置都相同， 應(yīng)力主要分布在TSV的外側(cè)， 應(yīng)力分布與TSV的位置相關(guān)性不大， 但是越靠近芯片內(nèi)側(cè)的通孔， 最大應(yīng)力會有所減小．

填充金屬的形變放大400倍后的俯視圖如圖6所示． 從圖中可以看出， 填充金屬的形變位移方向是從芯片中心向外， 形成這樣的位移方向主要是受到芯片熱膨脹形變的影響， 芯片熱膨脹導(dǎo)致了形變位移的累計， 越靠近芯片外側(cè)累積的形變位移越大， 因此填充金屬越靠近芯片外側(cè)， 會受到芯片更大的形變影響． 從圖5可以看出， 由于芯片變形的累積影響， 導(dǎo)致越靠近芯片外側(cè)的TSV的應(yīng)力也會越大．

圖5 熱應(yīng)力分布

圖6 金屬形變放大圖

觀察其中一種模型的通孔， 填充金屬表面的應(yīng)力分布如圖7所示， TSV的最大應(yīng)力主要分布在通孔上側(cè)， 通孔內(nèi)部受到應(yīng)力相對均勻， 單晶硅與LTCC基板的交界處有明顯的應(yīng)力變化， 但變化值不大．

圖7 填充金屬表面的應(yīng)力分布

再觀察其中一個模型的通孔， 將形變放大200倍， 形變與應(yīng)力分布截面圖如圖8所示． 由于錫鉛銀合金的熱膨脹系數(shù)相較于單晶硅和LTCC基板較大， 芯片在受熱后， TSV內(nèi)的通孔無法容納錫鉛銀合金的體積， 錫鉛銀合金通過通孔向外擠出， 導(dǎo)致TSV外側(cè)受到較大的應(yīng)力． 由于LTCC基板與單晶硅的膨脹系數(shù)接近， 因此在LTCC與單晶硅的交界處沒有明顯的應(yīng)力分布．

圖8 通孔形變與應(yīng)力分布截面圖

在第一個模型上， 分別取芯片對角線上最外側(cè)孔2與其向內(nèi)的一個通孔1在TSV芯片與基板交界處的位移如圖9所示． 在單晶硅與LTCC基板的交界處， 形變位移的方向相同， 且靠近芯片外側(cè)的通孔2具有更大的形變位移， 說明越靠近芯片外側(cè)的通孔， 其形變越大．

圖9 填充金屬在TSV芯片與基板交界處的位移

4 結(jié)果與討論

從實(shí)驗(yàn)仿真中可以看出， 由于LTCC與單晶硅結(jié)晶的熱膨脹系數(shù)相近， 以LTCC作為TSV芯片基板， 芯片在高溫工作時， TSV在單晶硅與LTCC的交界處不會產(chǎn)生較大形變差異． TSV芯片所受應(yīng)力主要集中在TSV外側(cè)， 其主要原因是由于填充金屬受熱膨脹影響被擠出通孔， 造成TSV外側(cè)受到擠壓． 設(shè)計TSV時需要考慮使用其他材料或工藝強(qiáng)化通孔外側(cè)的強(qiáng)度， 或在單晶硅與通孔之間設(shè)置一層柔性材料， 使填充金屬在形變后不會產(chǎn)生太大的應(yīng)力．

對4種仿真模型的熱應(yīng)力分布進(jìn)行對比分析可以得出， TSV的分布對TSV芯片的應(yīng)變影響較大， 其主要原因是由于芯片形變位移的累計效應(yīng)． TSV的分布越靠近芯片內(nèi)側(cè)， 其表面應(yīng)力則會越小， 且TSV芯片與LTCC基板之間的相對位移也小， 在設(shè)計TSV位置時， 可以盡可能將TSV設(shè)置在芯片中心， 以降低由于芯片與基板之間的位移造成填充金屬的斷裂失效．