2.5D硅转接板TSV结构研究

刘建松，林鹏荣，黄颖卓，练滨浩

(北京微电子技术研究所，北京 100076)

随着电子技术不断进步，传统的单片集成技术已经难以满足集成电路小型化、集成化、多功能及低功耗的要求[1]。于此同时，半导体工艺已经逐渐逼近物理极限，仅仅依靠工艺进步继续满足“摩尔定律”已难以为继[2]。

2.5D多芯片集成封装是一种立体封装技术，即将包括处理器、存储器等多种芯片集成到一个封装中，实现一个完整的功能模块[3]。其中TSV(Through Silicon Via，TSV)技术是实现2.5D多芯片封装的重要技术，通过TSV技术可以实现同质或异质芯片间的集成与数据传输，能够大幅提升器件性能，并同时大幅提高单颗器件集成度，已成为维系“摩尔定律”的重要引擎技术[4]。

硅转接板TSV的结构复杂，包含Si基、Cu金属填充和SiO2绝缘层等等，在应用环境中会承受恶劣的环境载荷，因此TSV的直径、节距以及绝缘层的厚度等结构参数对硅转接板的可靠性影响非常重要。国内TSV工艺刚刚起步，相关结构参数对结构可靠性的影响尚不明确[5]。通过工艺试验进行评估所需要的时间周期长且难以精确定位失效部位，因此本文采用仿真实验探究上述结构参数对硅转接板中TSV结构可靠性的影响，以期为2.5D封装结构的设计提供参考和依据[6]。

1 模型建立

现有研究多进行单个TSV结构的仿真而忽略了其他结构对TSV的影响[7]。为了能准确仿真TSV结构的特性，本文通过建立整体模型来尽量真实模拟实际情况[8]。

1.1 整体模型的建立

以实际产品为原型建立2.5D封装器件的模型，包括基板、硅转接板、芯片、微凸点、C4凸点和底填充胶等结构[9]。

模型中微凸点和C4凸点的材料分别为Sn63Pb37和Pb90Sn10[10]，基板材料采用Al2O3陶瓷。封装各结构的详细规格如表1所示[11]。

表1 2.5D封装模型的结构尺寸

本文认为硅芯片、陶瓷基板、TSV等是各向同性、均匀的材料。它们的几项基本材料特性参数如表2所示[12]。

表2 模型中材料的弹性力学性能

1.2 边界条件设定

如图2所示，将模型简化成1/4结构以减小计算量，为了保证收敛需要施加足够的边界条件[12]：(1)将基板底面的正中心，即1/4模型基板底部的对称中心点，设置为固定点。该点在X、Y、Z方向的自由度为0；(2)为了加快模型的收敛速度，将基板底面在Z方向的自由度设置为0，其他方向的自由度不做限定；(3)选取YZ、ZX两平面作为对称面，所有结构关于这两个面对称[12]。

1.3 施加载荷

为了模拟2.5D器件严苛的工作环境，对器件施加GJB 548B中的温度循环C条件，即温度范围-65～150 ℃，高低温保持时间至少10 min，高低温温度转换时间小于60 s[13]，具体温循条件如图3所示。

2 模型简化

为了提高求解效率和求解精度，需要对整体模型中不需要关注的细微结构进行简化，将关注度集中在需要研究的部位[14]。

2.1 模型的简化

由于本文只关注转接板内硅通孔的可靠性，其他不影响硅转接板的仿真精度的结构可适当简化，以节省资源对关键部位进行更精细的仿真[15]。

整体模型中，存在数量众多的微凸点和C4凸点。在对模型进行网格划分后，这些结构会生成较大规模的网格，从而影响求解效率和精度。这些凸点被底填充胶包裹，从体积的量级来说，底填充胶的体积要远大于凸点的体积，因此猜想凸点和底填充的复合结构会总体表现出底填充胶的性能。

根据以上猜想对模型进行简化，如图4所示。原本微凸点+底填充胶和C4凸点+底填充胶的结构都简化为底填充胶。

2.2 模型简化的误差分析

对模型进行简化后，需要验证简化的合理性。根据研究，TSV附近的应力应变情况除了与本身的热失配有关外，还受到硅转接板变形的影响，而硅转接板的变形主要由其上下的结构导致。因此，文中的模型简化方法对硅转接板的影响，可通过分析简化前后硅转接板的变形差异来量化。

对2.5D模型简化前后硅转接板上下面的对角线上的形变进行了提取，结果如图5所示。

采用拟合度来量化简化前后的差异，思路是对比转接板对角线上同一位置在简化前后仿真得到的位移，具体公式如式(1)和式(2)所示

(1)

(2)

3 仿真结果分析

首先对单个TSV结构进行了应力应变的分析，明确了TSV结构的应力集中部位，并探究了应力集中的原因。之后进一步研究了铜柱直径、绝缘层厚度等结构参数对TSV应力集中的影响[16]。

3.1 TSV的应力应变分析

TSV中各结构的热膨胀系数不同，所以TSV会受到一定程度的剪切和拉伸。因此，应力应变呈多轴分布，所以应该采用等效应力(Mises Stress)来描述TSV的综合应力[12]。本文对TSV结构进行了温度循环下的应力应变仿真，最低温和最高温的应力应变云图如图6和图7所示。

由应力结果可知，在TSV结构上施加温度载荷时，SiO2附近会集中较大的应力。这是由于SiO2和填充铜以及Si的热膨胀系数相差很大，SiO2绝缘层会限制填充铜和Si的收缩和膨胀，导致沿着界面上的热应力集中并且分布比较均匀。

由应变结果可知，在TSV结构上施加温度载荷时，应变主要集中在填充铜上下的钝化层(Polyimide)中，与应力集中的部位不一致。这是由于钝化层的杨氏模量很小，虽然变形很大，但引起的应力很小；而Cu和Si的杨氏模量较大，轻微的小变形就能导致很大的应力集中。

3.2 铜柱直径对结构可靠性的影响

其他结构参数保持不变，铜柱直径分别取20～60 μm进行2.5D转接板的仿真。根据上文的分析经验，将主要考虑温度循环过程中出现最大应力的高温阶段。仿真得出不同铜柱直径下TSV在高温阶段的最大应力，如图8所示。

结果表明，随着铜柱直径的增加，TSV结构的最大应力逐渐增加。这是由于铜柱直径越大，在整个结构中铜的体积越大，在温度循环中铜柱的变形越显著，导致结构中应变相应增大。如图所示，铜柱直径以10 μm的间隔增大，体积增大的比例越来越小，所以曲线中应力递增的速度逐渐放缓。

3.3 TSV绝缘层厚度对结构可靠性的影响

其他结构参数保持不变，SiO2厚度取1～4 μm进行2.5D模型的仿真。图9为不同SiO2厚度下TSV最大应力的仿真结果。

结果显示，随着SiO2层厚度的增加，TSV结构的最大应力逐渐减小，SiO2层有助于改进TSV结构的可靠性。这是由于SiO2的杨氏模量较小，在整个结构中相当于缓冲层，其厚度越厚，缓冲作用越明显，铜柱和Si基受到的应力越小。

3.4 TSV节距对结构可靠性的影响

其他结构参数保持不变，TSV节距分别取40～70 μm进行2.5D模型的仿真，如图10是不同节距下TSV最大应力的仿真结果。

结果显示，随着TSV节距的增加，结构的最大应力逐渐减小；当节距超过一定值之后，应力减小的程度放缓。这是由节距增加后，相邻TSV导致Si基应力应变叠加效果减弱所引起的。

4 结束语

本文提出了一种复杂封装模型简化的方法，简化后仿真结果的拟合度在0.95以上。本文分析了温度循环条件下，TSV结构的应力应变分布，又进一步研究了关键结构参数对TSV可靠性的影响。以上研究结果可为2.5D封装结构的设计和优化提供参考，为2.5D器件的失效分析提供依据。