面向TSV封裝的抗熱疲勞與高效散熱關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著電子產(chǎn)品朝著高性能和微型化方向的不斷發(fā)展，基于硅通孔(Through SiliconVia，TSV)互連的三維封裝技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代封裝技術(shù)的重要發(fā)展方向。然而，三維堆疊封裝使單位面積內(nèi)的熱耗散功率成倍增加，如果沒(méi)有高效的散熱方式及時(shí)地把熱量傳輸?shù)椒庋b體外，隨后的溫度變化就會(huì)在封裝體中產(chǎn)生一系列熱效應(yīng)，影響器件正常運(yùn)行，功率器件三維封裝尤其如此，需要認(rèn)真研究加以解決。
　　本文圍繞TSV封裝的熱可靠性開(kāi)展研究工作。為了提高TSV

2、封裝中焊墊的熱疲勞壽命，提出了一種應(yīng)變隔離焊墊設(shè)計(jì)，可以避免焊墊與TSV高應(yīng)力區(qū)域直接接觸，減少塑性應(yīng)變積聚，延長(zhǎng)熱疲勞壽命。同時(shí)為了從根本上解決三維封裝所導(dǎo)致的高功耗熱積聚問(wèn)題，緩解溫度變化引起的熱效應(yīng)，從提高TSV封裝散熱效果入手，在TSV封裝結(jié)構(gòu)中引入具有高效散熱機(jī)制微通道散熱器，通過(guò)強(qiáng)化散熱抑制熱效應(yīng)發(fā)生。針對(duì)所采用的強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)，包括肋片結(jié)構(gòu)和凹槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)有限元分析方法，研究肋片的幾何形狀對(duì)微通道散熱性能的影響，提出了一種嵌

3、入轉(zhuǎn)接板內(nèi)部的同時(shí)具備肋片和凹槽兩種強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)的微通道散熱器設(shè)計(jì)。隨后利用MEMS工藝制備同時(shí)帶有應(yīng)變隔離焊墊和微通道散熱器的新型轉(zhuǎn)接板樣品，最后通過(guò)附加模擬功率器件熱效應(yīng)的模擬熱源對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行全面的測(cè)試與分析。
　　在總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，本文面向TSV封裝的抗熱疲勞與高效散熱關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究工作，論文的主要工作內(nèi)容如下：
　　1．提出了一種可以提高熱疲勞壽命的應(yīng)變隔離焊墊設(shè)計(jì)方案。采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)

4、帶有TSV結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)焊墊模型進(jìn)行溫度循環(huán)仿真，分析其失效主要原因。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種含有凸起結(jié)構(gòu)的應(yīng)變隔離焊墊，隨后應(yīng)用Manson-Coffin經(jīng)驗(yàn)方程預(yù)測(cè)傳統(tǒng)焊墊和應(yīng)變隔離焊墊的熱疲勞壽命。
　　2．提出了肋片和凹槽微結(jié)構(gòu)強(qiáng)化的高效微通道散熱器設(shè)計(jì)。通過(guò)FLUENT軟件研究了肋片形狀對(duì)微通道傳熱性能的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了一種同時(shí)具有肋片和凹槽強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的新型微通道散熱器設(shè)計(jì)，以提升微通道散熱器的散熱效果，同樣采用仿真軟件重

5、點(diǎn)分析了相對(duì)肋片高度對(duì)新型散熱器性能的影響，給出了合理的散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，為器件的制備提供理論依據(jù)。
　　3．提出一種同時(shí)帶有應(yīng)變隔離焊墊和高效微通道散熱器的新型轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)。將應(yīng)變隔離焊墊應(yīng)用到Si轉(zhuǎn)接板中，可以提高封裝中焊墊的抗熱疲勞能力；在轉(zhuǎn)接板中嵌入高效微通道散熱器，可以使熱源芯片與散熱器直接接觸，減少熱阻，進(jìn)一步提高TSV封裝的散熱效果。
　　綜合利用非硅微加工的厚膠（SU-8）成型工藝、非硅表面微加工工藝、硅微加工的