● 摘要
微电子技术是发展现代电子信息技术的基础，而基于硅通孔技术的三维电子封装已成为微电子技术的主流发展方向。由于封装结构中不同的封装组件的工艺温度不尽相同，而且，整个三维封装结构中的各种材料的力学、热学性能特别是热膨胀系数存在很大的差异，导致封装体内部出现严重的热应力及其引发的各种电连接失效，例如循环温度载荷下，封装结构中的焊球会由于热疲劳而导致断裂失效。最近几年，随着封装集成度的提高，线路内的电流密度迅速增大，焊点的电迁移失效也成为影响三维封装结构可靠性的主要问题。在三维电子封中，硅通孔是一个实现芯片垂直互连的关键环节，其可靠性至关重要，因此本文重点对对硅通孔结构及其周围芯片的热机械应力进行了分析，同时进行了焊点的电迁移实验，观察总结了焊点电迁移失效的主要现象。 本论文的工作大致可以分为以下几个部分： 1. 建立了三维电子封装结构的有限元模型，包括封装体中各种材料力学性能的定义，循环温度载荷的定义，零应力温度的选择。本文首先对全局模型进行了分析，利用全局模型得出的结果作为依据，重新建立子模型并重划网格对铜微凸点和芯片的热应力进行了细致的计算。然后利用局部模型计算了在温度载荷下，TSV 铜填充半径、TSV 铜填充形式以及绝缘层材料性能对芯片和TSV 中存在的热应力的影响。 2. 利用疲劳寿命预测模型计算了焊球的热疲劳寿命， 并进行了封装结构部分组件的参数，包括芯片层数、Interposer厚度、基板厚度，以及 TSV 分布形式、分布密度对焊球热疲劳寿命的影响，为优化设计提供了依据。 3. 设计制作了包含焊点的试件，并在恒温加热的条件下，进行了电迁移实验。研究了焊点发生电迁移时组织形貌，以及电阻随电迁移时间的变化规律，为焊点的电迁移寿命评估打下了一些基础。