面向TSV封裝的抗熱疲勞與高效散熱關鍵技術研究.pdf

1、隨著電子產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已經成為現(xiàn)代封裝技術的重要發(fā)展方向。然而，三維堆疊封裝使單位面積內的熱耗散功率成倍增加，如果沒有高效的散熱方式及時地把熱量傳輸?shù)椒庋b體外，隨后的溫度變化就會在封裝體中產生一系列熱效應，影響器件正常運行，功率器件三維封裝尤其如此，需要認真研究加以解決。
　　本文圍繞TSV封裝的熱可靠性開展研究工作。為了提高TSV

2、封裝中焊墊的熱疲勞壽命，提出了一種應變隔離焊墊設計，可以避免焊墊與TSV高應力區(qū)域直接接觸，減少塑性應變積聚，延長熱疲勞壽命。同時為了從根本上解決三維封裝所導致的高功耗熱積聚問題，緩解溫度變化引起的熱效應，從提高TSV封裝散熱效果入手，在TSV封裝結構中引入具有高效散熱機制微通道散熱器，通過強化散熱抑制熱效應發(fā)生。針對所采用的強化傳熱結構，包括肋片結構和凹槽結構，通過有限元分析方法，研究肋片的幾何形狀對微通道散熱性能的影響，提出了一種嵌

3、入轉接板內部的同時具備肋片和凹槽兩種強化傳熱結構的微通道散熱器設計。隨后利用MEMS工藝制備同時帶有應變隔離焊墊和微通道散熱器的新型轉接板樣品，最后通過附加模擬功率器件熱效應的模擬熱源對實驗樣機進行全面的測試與分析。
　　在總結國內外研究進展的基礎上，本文面向TSV封裝的抗熱疲勞與高效散熱關鍵技術開展研究工作，論文的主要工作內容如下：
　　1．提出了一種可以提高熱疲勞壽命的應變隔離焊墊設計方案。采用ANSYS有限元分析軟件對

4、帶有TSV結構的傳統(tǒng)焊墊模型進行溫度循環(huán)仿真，分析其失效主要原因。在此基礎上設計了一種含有凸起結構的應變隔離焊墊，隨后應用Manson-Coffin經驗方程預測傳統(tǒng)焊墊和應變隔離焊墊的熱疲勞壽命。
　　2．提出了肋片和凹槽微結構強化的高效微通道散熱器設計。通過FLUENT軟件研究了肋片形狀對微通道傳熱性能的影響。在此基礎上，提出了一種同時具有肋片和凹槽強化結構的新型微通道散熱器設計，以提升微通道散熱器的散熱效果，同樣采用仿真軟件重

5、點分析了相對肋片高度對新型散熱器性能的影響，給出了合理的散熱器結構參數(shù)，為器件的制備提供理論依據(jù)。
　　3．提出一種同時帶有應變隔離焊墊和高效微通道散熱器的新型轉接板設計。將應變隔離焊墊應用到Si轉接板中，可以提高封裝中焊墊的抗熱疲勞能力；在轉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