蘇鵬　徐鵬程　秦進(jìn)功　王東　田野

摘 要：采用有限元模擬法研究三維集成電路集成中硅通孔結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)載荷條件下的失效行為，對(duì)硅通孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。結(jié)果表明，硅通孔結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)載荷下頂部Cu焊盤角落附近的SiO層處具有最大的應(yīng)力與應(yīng)變，這表明硅通孔結(jié)構(gòu)中最易失效位置在頂部Cu焊盤角落附近Cu和SiO的界面處。試驗(yàn)結(jié)果與模擬分析一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果對(duì)硅通孔結(jié)構(gòu)最易失效位置分析的可靠性。

關(guān)鍵詞：硅通孔;三維封裝;熱循環(huán);可靠性;有限元分析法

中圖分類號(hào)：TG454 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）4-0051-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.011

Reliability Research of Integrated Through Silicon Vias in 3D Integrated Circuits-Stress and Strain Research

SU Peng? ? XU Pengcheng? ? QIN Jingong? ? WANG Dong? ? TIAN Ye

（Henan University of Technology，Zhengzhou 450000，China）

Abstract：The finite element simulation method is used to study the failure behavior of TSV structures in 3D integrated circuits under thermal cyclic loading conditions， and the stress and strain of TSV structures are analyzed. The results show that the maximum deformation amount of the TSV structure under thermal cyclic loading is located at the center of the top Cu pad， and the SiO layer near the corners of the top Cu pad has the largest stress and strain， which indicates that the TSV structure in the The most vulnerable location is at the interface of Cu and SiO near the corner of the top Cu pad. The experimental results are consistent with the simulation analysis， which further verifies the reliability of the simulation results for the analysis of the most vulnerable location of the TSV structure.

Keywords：through silicon via; 3D packaging; thermal cycling; reliability; finite element analysis method

0 引言

隨著微電子產(chǎn)品向多功能、高密度及微型化方向迅速發(fā)展，二維電子封裝已經(jīng)接近摩爾定律極限，因而不能滿足當(dāng)前微電子產(chǎn)品多功能化發(fā)展的需要，基于硅通孔互連技術(shù)（Through Silicon Via，TSV）的三維集成電路封裝因其高封裝密度、低功耗和高運(yùn)行速率從而成為最具潛力的封裝方式[1-2]。TSV結(jié)構(gòu)中Si芯片和Cu柱的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion，CTE）相差較大，當(dāng)溫度變化時(shí)，易在Si和Cu界面處產(chǎn)生熱失配從而使得應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致整個(gè)三維封裝結(jié)構(gòu)的失效。特別是在更高密度和更微型化的電子封裝中，TSV結(jié)構(gòu)尺寸的不斷減小使得這一可靠性問題更加嚴(yán)重，因此研究熱循環(huán)條件下三維集成電路封裝硅通孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變具有極其重要的意義[3-4]。

目前，已有部分學(xué)者對(duì)熱沖擊條件下硅通孔材料設(shè)置及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的影響進(jìn)行了研究[5-6]，其中何映婷[5]研究了不同情況下不同結(jié)構(gòu)TSV的熱力響應(yīng)，得到了不同結(jié)構(gòu)尺寸以及材料組合對(duì)于TSV熱力響應(yīng)的影響情況。此外部分學(xué)者研究了大尺寸封裝結(jié)構(gòu)中TSV在熱沖擊條件下的應(yīng)力應(yīng)變[7-8]，Liang等人[7]采用有限元分析（FEA）方法研究了硅各向異性對(duì)熱循環(huán)載荷下TSV結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，高熱應(yīng)力始終位于結(jié)構(gòu)中兩種材料的界面處。雖然部分學(xué)者對(duì)大尺寸封裝結(jié)構(gòu)下TSV結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了研究，但對(duì)小間距和小尺寸封裝結(jié)構(gòu)中TSV承受熱循環(huán)條件下的應(yīng)力應(yīng)變研究尚不完善，對(duì)三維集成電路封裝中硅通孔結(jié)構(gòu)熱循環(huán)條件下的應(yīng)力應(yīng)變、失效機(jī)理等方面仍要做進(jìn)一步的研究和探索。

本研究建立了小間距互連尺寸下TSV結(jié)構(gòu)的有限元模型，采用映射劃分和自由劃分相結(jié)合的方式劃分網(wǎng)格，研究在熱循環(huán)載荷下TSV結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變。通過分析熱循環(huán)過程中最高溫和最低溫時(shí)TSV結(jié)構(gòu)各部位的等效應(yīng)力和塑性應(yīng)變，從而對(duì)可能出現(xiàn)的熱失效問題進(jìn)行預(yù)測并評(píng)估其可靠性，最終通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模擬進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)方法

TSV結(jié)構(gòu)主要包括介質(zhì)隔離層、擴(kuò)散阻擋層和填充金屬。通常情況下，介質(zhì)隔離層為SiO。由于擴(kuò)散阻擋層的厚度非常小，對(duì)TSV結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì)，故研究中TSV結(jié)構(gòu)模型不設(shè)置擴(kuò)散阻擋層。

圖1為TSV結(jié)構(gòu)俯視圖，圖2為TSV結(jié)構(gòu)橫截面金相圖。本研究TSV結(jié)構(gòu)SiO層的厚度為2 μm，通孔直徑為35 μm，TSV深度為100 μm，Cu焊盤厚度為14 μm，深寬比為2。熱循環(huán)加載按照美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883選取，溫度范圍為-55～125 ℃，升降溫速率為12 ℃/min，高低溫轉(zhuǎn)換時(shí)間為3 s，高低溫保持時(shí)間各15 min。硅通孔施加熱循環(huán)載荷至第7個(gè)循環(huán)時(shí)應(yīng)力趨于穩(wěn)定，由于計(jì)算資源的限制，不可能對(duì)試驗(yàn)的所有循環(huán)進(jìn)行模擬，為了得到更為精確的結(jié)果，設(shè)定仿真運(yùn)算8個(gè)循環(huán)[9]。采用P600-P3000粒度的碳化硅水砂紙對(duì)金相樣品進(jìn)行磨制，再采用1 μm和0.05 μm的AlO懸浮拋光液進(jìn)行最終拋光。采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electronic Microscopy，SEM）對(duì)硅通孔結(jié)構(gòu)橫截面進(jìn)行觀察。

2 模型的建立及參數(shù)的選擇

2.1 模型的建立和單元?jiǎng)澐?/p>

由圖1可知，各個(gè)硅通孔的結(jié)構(gòu)完全相同且呈周期性排列。為了便于分析，選取單個(gè)硅通孔的1/4為研究對(duì)象進(jìn)行模型建立和單元?jiǎng)澐郑磮D1中黑色方框中的部分。圖3（a）為單個(gè)硅通孔1/4結(jié)構(gòu)的幾何模型示意圖。

由于TSV結(jié)構(gòu)各個(gè)部位所產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變不同，要求的計(jì)算精度也不一樣，因此采用映射劃分方式和自由劃分方式相結(jié)合的辦法來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在Si和Cu相接觸的部位，由于Si和Cu極易因熱失配產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，是易對(duì)TSV結(jié)構(gòu)可靠性產(chǎn)生影響的關(guān)鍵部位，故采用映射劃分的方式，可提高計(jì)算精度并對(duì)TSV結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行定量分析。其他部位由于產(chǎn)生的熱應(yīng)力相對(duì)較小且要求的計(jì)算精度不高，因此采用自由劃分的方式來縮減計(jì)算的時(shí)間。此外由于Si和Cu界面處的熱應(yīng)力較大，在Si和Cu的界面處的網(wǎng)格劃分密度大于其他部位以獲得更為精確的計(jì)算結(jié)果，圖3（b）為網(wǎng)格劃分之后TSV結(jié)構(gòu)的有限元模型。

2.2 參數(shù)的選取及載荷的施加

TSV結(jié)構(gòu)的有限元模型主要涉及3種材料：Si、Cu和SiO，表1為Cu、SiO和Si的材料屬性。由于Si材料在所有工作過程中只發(fā)生彈性變形，故采用線彈性材料本構(gòu)模型描述Si材料在熱循環(huán)條件下的變形行為。Cu采用服從于von Mises屈服準(zhǔn)則的多線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料本構(gòu)模型，描述其在熱循環(huán)載荷下的金屬塑性行為，Cu材料的楊氏模量值隨溫度變化而變化，TSV結(jié)構(gòu)的其他材料參數(shù)受溫度影響較小，因此假定其他材料參數(shù)不變。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 熱循環(huán)下TSV結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變分析

熱失配引起Cu和Si形變量不同而導(dǎo)致的應(yīng)力集中是TSV結(jié)構(gòu)失效的主要原因，因此分析硅通孔結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)載荷下的應(yīng)力變化具有重要意義。圖4為熱循環(huán)第8個(gè)循環(huán)時(shí)封裝結(jié)構(gòu)的整體等效應(yīng)力分布云圖。由圖4可知，TSV結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)載荷下整體應(yīng)力最大值位于頂部Cu焊盤角落附近的SiO層，整體應(yīng)力最小值位于填充Cu柱與頂部Cu焊盤交界面的中心處，TSV結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力的變化趨勢是：從TSV結(jié)構(gòu)頂部Cu焊盤角落附近的SiO層向四周逐漸減小。

圖5為熱循環(huán)第8個(gè)循環(huán)時(shí)TSV結(jié)構(gòu)的整體等效應(yīng)變云圖。由圖5可知，TSV結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)載荷下整體應(yīng)變的變化趨勢是：從TSV結(jié)構(gòu)頂部Cu焊盤角落附近的SiO層向四周逐漸減小，最大值位于頂部Cu焊盤角落附近的SiO層。

3.2 最易失效位置試驗(yàn)驗(yàn)證及分析

圖6為熱循環(huán)第8個(gè)循環(huán)125 ℃時(shí)Cu的等效應(yīng)力云圖。由圖6可知，熱循環(huán)載荷下TSV結(jié)構(gòu)中Cu的等效應(yīng)力最大值位于TSV結(jié)構(gòu)頂部Cu焊盤角落附近Cu和SiO的界面處，這與熱循環(huán)條件下TSV結(jié)構(gòu)應(yīng)力與應(yīng)變分析的結(jié)果相同。

分析以上結(jié)果可以得出結(jié)論，封裝結(jié)構(gòu)中最易失效位置在TSV結(jié)構(gòu)頂部Cu焊盤角落附近Cu和SiO的界面處。這是因?yàn)樵跓嵫h(huán)過程中，Si和Cu的熱膨脹系數(shù)相差較大，Cu的膨脹使SiO層受到軸向的拉伸應(yīng)力和徑向的壓應(yīng)力。因此，如果該界面處的Cu失效，則TSV結(jié)構(gòu)整體將失效。圖7為-55～125 ℃熱循環(huán)2 000個(gè)循環(huán)后TSV結(jié)構(gòu)橫截面掃描電鏡圖，通過對(duì)試驗(yàn)樣品的觀察，可以看出裂紋萌生的位置為Cu焊盤和SiO的界面處，從而驗(yàn)證了以上模擬結(jié)果的正確性。

4 結(jié)語

在熱循環(huán)載荷下，TSV結(jié)構(gòu)整體等效應(yīng)力與應(yīng)變的最大值位于TSV結(jié)構(gòu)頂部Cu焊盤邊角附近的SiO層處。TSV結(jié)構(gòu)中最易失效位置在TSV結(jié)構(gòu)頂部Cu焊盤角落附近Cu和SiO的交界處，即熱循環(huán)導(dǎo)致的裂紋易在Cu焊盤和SiO界面處形成，該試驗(yàn)結(jié)果與模擬分析結(jié)果一致，因此該位置為TSV結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力可靠性薄弱位置。

參考文獻(xiàn)：

[1] 龐學(xué)滿，周駿，梁秋實(shí)，等.基板堆疊型三維系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2021，41（3）：161-165.

[2] 周健，周紹華.3D封裝與硅通孔（TSV）技術(shù)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（24）：13.

[3] 王碩，馬奎，楊發(fā)順.TSV可靠性綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2021，47（2）：1-6.

[4] 張寧.三維集成中的TSV技術(shù)[J].集成電路應(yīng)用，2017，34（11）：17-22.

[5] 何映婷.基于電-熱-力耦合的TSV熱力響應(yīng)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2017.

[6] 袁琰紅，高立明，吳昊，等.硅通孔尺寸與材料對(duì)熱應(yīng)力的影響[J].半導(dǎo)體光電，2013，34（2）： 255-258.

[7] LIANG J， NING M， DING C， et al. The effect of silicon anisotropy on the thermal stress of TSV structure of 3D packaging chip under thermal cyclic loads[C]//2021 22nd International Conference on Electronic Packaging Technology （ICEPT），2021： 1-4.

[8] 宋培帥，何昱蓉，魏江濤，等.三維封裝TSV結(jié)構(gòu)熱失效性分析[J].電子與封裝，2021，21（9）：13-18.