電磁-振動(dòng)條件下TSV互連結(jié)構(gòu)可靠性分析與優(yōu)化.pdf

1、基于硅通孔（TSV）的三維集成電路是未來(lái)集成電路發(fā)展的主流技術(shù)之一，能有效降低集成電路的互連延時(shí)和功耗，是國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖（ITRS）近年來(lái)所關(guān)注的熱點(diǎn)和前沿技術(shù)?；诖?，本文以一種典型的信號(hào)-地TSV互連結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用有限元仿真分析了信號(hào)-地TSV互連結(jié)構(gòu)在電磁和隨機(jī)振動(dòng)條件下的可靠性，并對(duì)電磁和隨機(jī)振動(dòng)條件下信號(hào)-地TSV互連結(jié)構(gòu)利用響應(yīng)面分析得到的數(shù)學(xué)函數(shù)近似模型進(jìn)行多學(xué)科全局靈敏度分析并設(shè)計(jì)優(yōu)化。
　　首先，利用三

2、維仿真軟件構(gòu)建信號(hào)-地TSV互連結(jié)構(gòu)有限元模型，研究了TSV互連結(jié)構(gòu)在電磁場(chǎng)下插入損耗（S21）值的變化。結(jié)果表明：TSV互連結(jié)構(gòu)高度越高其傳輸性能差，TSV互連結(jié)構(gòu)半徑越大其傳輸性能越差，TSV的傳輸性能隨著絕緣層厚度增大而改善，TSV模型插入損耗在整個(gè)頻域范圍內(nèi)隨著頻率的增大而減小；通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合建立了插入損耗值與TSV高度、TSV半徑、絕緣層厚度和信號(hào)頻率的響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，確定了各因素對(duì)插入損

3、耗值影響的強(qiáng)度，單因素對(duì)插入損耗值影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋航^緣層厚度＞TSV半徑＞信號(hào)頻率＞TSV高度，因素之間耦合對(duì)插入損耗值影響的強(qiáng)弱順序?yàn)椋航^緣層厚度與信號(hào)頻率＞TSV高度與信號(hào)頻率＞TSV半徑與信號(hào)頻率＞TSV半徑與絕緣層厚度＞TSV高度與絕緣層厚度＞TSV高度與TSV半徑。
　　其次，在電磁分析的幾何模型基礎(chǔ)上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)加載分析，研究了TSV互連結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)下的應(yīng)力值的變化。結(jié)果表明：TSV互連結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動(dòng)加載下內(nèi)應(yīng)力應(yīng)

4、變大小均不相同，最大應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)在凸起塊和通孔連接處，越遠(yuǎn)離基板所受到的應(yīng)力應(yīng)變?cè)叫?。由此可知在TSV通孔與凸起塊的連接處可能最先產(chǎn)生裂痕，導(dǎo)致其失效。通過(guò)Design-Expert設(shè)計(jì)得到了最大等效應(yīng)力與TSV高度、TSV半徑和TSV絕緣層厚度的響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型。并通過(guò)響應(yīng)面分析可知，影響TSV互連結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化單因素的強(qiáng)弱順序?yàn)椋航^緣層厚度＞TSV半徑＞TSV高度，因素之間耦合對(duì)TSV應(yīng)力值影響的強(qiáng)弱順序?yàn)門(mén)SV半徑與絕緣層厚度＞TSV高

5、度與絕緣層厚度＞TSV高度與TSV半徑。
　　最后，將Sobol’全局靈敏度分析法應(yīng)用到TSV互連結(jié)構(gòu)多學(xué)科靈敏度分析中。為了提高設(shè)計(jì)的可靠性，基于TSV互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行響應(yīng)面-遺傳算法的多學(xué)科優(yōu)化。結(jié)果表明：在TSV互連結(jié)構(gòu)電磁分析時(shí)，當(dāng)TSV高度為175.11μm，TSV半徑為5.06μm，絕緣層厚度為2.86μm，信號(hào)頻率為2.51GHz時(shí)插入損耗最大值為-0.2156dB，TSV互連結(jié)構(gòu)性能傳輸最優(yōu)。在TSV互連結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析時(shí)