一种三维异质集成TSV通孔电‑热‑力耦合建模方法及仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种三维异质集成TSV通孔电‑热‑力耦合建模方法及仿真方法，包括：三维异质集成TSV通孔结构，根据三维异质集成TSV制造工艺参数建立三维等效几何模型；设置模型各部分的材料参数；根据实际情况添加相应的边界条件和求解类型；对模型进行适当的网格划分；通过求解器进行电‑热‑力耦合计算仿真。本发明专利技术对TSV三维模型进行电‑热‑力三场耦合仿真，可以有效得到实际情况中TSV的电势、温度和应力的分布情况，以及它们随时间的变化情况。本发明专利技术具有较高的准确性和较好的可扩展性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成电路中TSV(ThroughSiliconVia，硅通孔)的耦合建模及仿真，特别涉及一种异质集成TSV通孔三维电-热-力耦合建模及仿真方法。
技术介绍
随着三维(3D)集成电路技术的提出及发展，芯片规模进一步增长，有着二维(2D)集成电路无法比拟的优势。目前单一功能的MEMS器件已经不能满足物联网、重型采煤机械、高性能的SOI红外成像系统等特殊
的传感需求。这些应用要求MEMS器件同时兼具微能源、多功能传感、无线传输等功能。需要针对曲面和多层结构进行可靠性设计；需要将MEMS器件与CMOS电路、Si基与PZT或者AlN等压电材料、不同功能MEMS器件进行异质集成。TSV(ThroughSiliconVia，硅通孔)技术是在堆叠的芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制造垂直通孔，从而实现堆叠芯片之间最短互连的技术，是三维异质集成的核心技术。TSV技术的优势包括：更好的外形尺寸；更低的功耗；更宽的带宽；更高的密度；更小的外形尺寸以及更轻的质量。因此TSV技术可以完成高密度的三维芯片堆叠，同时能够大大提升芯片性能和速度，便于实现低功耗的芯片设计。作为新一代封装技术，TSV在发展过程中，将受到多物理场耦合效应的极大的影响和阻碍。主要因为多物理场耦合过程非常复杂，电场分布、热场分布及力场分布是相互关联、相互作用的，而在大部分现有研究中，对TSV中的电场、热场、力场的分析是相对独立的，并未考虑各物理场之间的耦合关系。对TSV中电-热-力耦合进行分析并得到三维异质集成TSV通孔的电压电流特性、电致发热特性和热致形变特性，可以为异质集成器件的微型化、散热等方面设计提高相应的参考和帮助。因此对TSV进行多物理场的协同建模、分析是很有必要的。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合建模方法及仿真方法，本专利技术通过对TSV中电-热-力耦合进行分析并得到三维异质集成TSV通孔的电压电流特性、电致发热特性和热致形变特性，即多物理场耦合效应对异质集成TSV通孔的影响，可以为异质集成器件的微型化、散热等方面设计提高相应的参考和帮助。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合建模方法，根据三维异质集成TSV通孔结构参数得到三维异质集成TSV物理模型，根据三维异质集成TSV物理模型建立三维等效几何模型。根据三维等效几何模型得到TSV等效RLGC电路图，当电流或电压加载到三维异质集成TSV物理模型结构时建立电-热-力耦合模型，所述电-热-力耦合模型包括三维异质集成TSV物理模型结构上电位分布情况、热流传导在三维异质集成TSV物理模型结构中引起的温度场分布以及由温度变化引起的热应力和热应变，其中，三维异质集成TSV物理模型结构上电位分布情况可由下式表示：其中，▽表示微分算子，σ(T)为随温度变化的材料电导率，T为温度，为空间位置向量，t为时间，Γa为第一类边界条件所在的边界，Γq为第二类边界条件所在的边界，为瞬态空间电位场分布，为Γa上的电压值，为Γq上的电流密度分布，n为边界Γq的外法线方向。热流传导在三维异质集成TSV物理模型结构中引起的温度场分布形式如下：其中，κ(T)为材料的温变热导率，ρ和c分别为材料的密度和热容，为瞬态的空间温度场分布，为瞬态的空间热源，为第一类边界Γa上的温度值，h为第三类边界Γq上的热对流系数，Ta为对流面上的环境温度。由温度变化引起的热应力和热应变可由下式表示：ε＝L·uσ＝D(ε-εTh)其中，i和j代表坐标系轴x，y方向上的单位向量，ρ为材料密度，μ为阻尼系数，α(T)温变材料热膨胀系数，ΔT为温差，Γσ为力的第一类边界，Γu为位移的第一类边界，A和L为微分算子。εTh为温度引起的热应变，ε为应变向量，σ为应力向量，u为位移向量，D为弹性关系，其中，E(T)为温变的杨氏模量，v为泊松比。对电-热-力耦合模型的仿真方法：首先，根据工艺参数对三维异质集成TSV物理模型各部分进行电-热-力耦合模型参数设置，分别设定各个材料的电导率、热膨胀系数、常压热容、相对介电常数、密度、导热系数、杨氏模量以及泊松比。根据应用要求添加相应的边界条件和求解类型。然后，利用求解器进行电-热-力耦合模型计算仿真，得到三维异质集成TSV通孔的电压电流特性、电致发热特性和热致形变特性。最后，根据得到的电压电流特性、电致发热特性和热致形变特性得到其对应的电场分布、热场分布、力场分布以及它们之间的耦合关系。优选的：当施加交流信号时，对初始条件和边界条件做平滑处理。优选的：所述求解类型包括稳态分析或瞬态分析。优选的：所述求解器采用有限元分析方法进行计算仿真，同时对三维等效几何模型进行网格划分。有益效果：本专利技术相比现有技术，具有以下有益效果：本专利技术一种三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合建模及仿真方法，通过建立三维异质集成TSV耦合模型，考虑TSV中电场分布、热场分布及力场分布之间相互作用的关系，对TSV电-热-力耦合进行仿真分析。仿真结果中的各物理场的分布情况以及其随时间变化的瞬态响应更加符合实际情况，具有更好的准确性，得出的结果可以为TSV的设计和性能分析提供更好的参考。获得的仿真结果可以为三维异质集成TSV的散热分析和设计提供相应的帮助，进行更好的散热设计，更合理地分配发热区域。其仿真结果也可以提供TSV的应力形变情况，为器件的微型化设计提供参考和帮助。通过对TSV电-热-力耦合进行仿真分析，还可以预测界面分层、气泡、空洞等缺陷的产生情况，达到提高芯片散热性能及工作寿命。设置多种分析条件，比较不同情况下的模拟结果，得出优化方案，对可靠性设计提供指导，同时提供最合适的材料选择以及工艺方案。附图说明图1是本专利技术一种三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合建模及仿真方法的步骤流程图。图2是本专利技术一种三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合建模及仿真方法的异质集成TSV模型的横截面图。图3是是本专利技术一种三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合建模及仿真方法的双层异质集成TSV模型的等效RLGC电路示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。一种三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合建模方法，如图1、图2所示，包括，三维异质集成TSV通孔结构，三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合建模，三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合仿真。如图2所示，三维异质集成TSV通孔结构是一种将基于不同衬底材料的多层器件进行垂直连接的结构。根据三维异质集成TSV物理模型建立几何模型，几何参数包括多层不同材料的衬底一1、衬底二2、衬底三3。每层TSV4的高度、直径，TSV外侧绝缘层5的厚度以及上下表面的绝缘层6的厚度。根据三维异质集成TSV通孔结构参数得到三维异质集成TSV物理模型，根据三维异质集成TSV物理模型建立三维等效几何模型。如图3所示，由多层异质集成TSV物理模型可以得到多层TSV等效RLGC电路图。当电流或电压加载到三维异质集成TSV物理模型结构时建立电-热-力耦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维异质集成TSV通孔电‑热‑力耦合建模方法，其特征在于：根据三维异质集成TSV通孔结构的参数得到三维异质集成TSV物理模型，根据三维异质集成TSV物理模型建立三维等效几何模型；根据三维等效几何模型得到TSV等效RLGC电路图，当电流或电压加载到三维异质集成TSV物理模型结构时建立电‑热‑力耦合模型，所述电‑热‑力耦合模型包括三维异质集成TSV物理模型结构上电位分布情况、热流传导在三维异质集成TSV物理模型结构中引起的温度场分布以及由温度变化引起的热应力和热应变，其中，三维异质集成TSV物理模型结构上电位分布情况可由下式表示：▿[σ(T)▿U(r→,t)]=0U|Γa=U‾(t)∂U∂n|Γq=-j→(r→,t)/σ(T)|Γq]]>其中，表示微分算子，σ(T)为随温度变化的材料电导率，T为温度，为空间位置向量，t为时间，Γa为第一类边界条件所在的边界，Γq为第二类边界条件所在的边界，为瞬态空间电位场分布，为Γa上的电压值，为Γq上的电流密度分布，n为边界Γq的外法线方向；热流传导在三维异质集成TSV物理模型结构中引起的温度场分布形式如下：ρc∂T(r→,t)∂t+▿[κ(T)▿T(r→,t)]=fT(r→,T,t)T|Γa=T‾(t)∂T∂n|Γq=-h(T-Ta)|Γq]]>其中，κ(T)为材料的温变热导率，ρ和c分别为材料的密度和热容，为瞬态的空间温度场分布，为瞬态的空间热源，为第一类边界Γa上的温度值，h为第三类边界Γq上的热对流系数，Ta为对流面上的环境温度；由温度变化引起的热应力和热应变可由下式表示：ρ∂2u∂t2+μ∂u∂t+Aσ+f=0]]>ε＝L·uσ＝D(ε‑εTh)εTh＝α(T)ΔT[1 1 1 0 0 0]Tσijnj|Γσ=Ti‾]]>ai|Γu=ai‾]]>其中，i和j代表坐标系轴x，y方向上的单位向量，ρ为材料密度，μ为阻尼系数，α(T)温变材料热膨胀系数，ΔT为温差，Γσ为力的第一类边界，Γu为位移的第一类边界，A和L为微分算子；A=∂∂x00∂∂y0∂∂z0∂∂y0∂∂x∂∂z000∂∂z0∂∂y∂∂x=LT;]]>εTh为温度引起的热应变，ε为应变向量，σ为应力向量，u为位移向量，D为弹性关系，D=E(T)(1-v)(1+v)(1-2v)1v1-vv1-v000v1-v1v1-v000v1-vv1-v1000000000000000000000]]>其中，E(T)为温变的杨氏模量，v为泊松比。...

【技术特征摘要】
1.一种三维异质集成TSV通孔电-热-力耦合建模方法，其特征在于：根据三维异质集成TSV通孔结构的参数得到三维异质集成TSV物理模型，根据三维异质集成TSV物理模型建立三维等效几何模型；根据三维等效几何模型得到TSV等效RLGC电路图，当电流或电压加载到三维异质集成TSV物理模型结构时建立电-热-力耦合模型，所述电-热-力耦合模型包括三维异质集成TSV物理模型结构上电位分布情况、热流传导在三维异质集成TSV物理模型结构中引起的温度场分布以及由温度变化引起的热应力和热应变，其中，三维异质集成TSV物理模型结构上电位分布情况可由下式表示：▿[σ(T)▿U(r→,t)]=0U|Γa=U‾(t)∂U∂n|Γq=-j→(r→,t)/σ(T)|Γq]]>其中，表示微分算子，σ(T)为随温度变化的材料电导率，T为温度，为空间位置向量，t为时间，Γa为第一类边界条件所在的边界，Γq为第二类边界条件所在的边界，为瞬态空间电位场分布，为Γa上的电压值，为Γq上的电流密度分布，n为边界Γq的外法线方向；热流传导在三维异质集成TSV物理模型结构中引起的温度场分布形式如下：ρc∂T(r→,t)∂t+▿[κ(T)▿T(r→,t)]=fT(r→,T,t)T|Γa=T‾(t)∂T∂n|Γq=-h(T-Ta)|Γq]]>其中，κ(T)为材料的温变热导率，ρ和c分别为材料的密度和热容，为瞬态的空间温度场分布，为瞬态的空间热源，为第一类边界Γa上的温度值，h为第三类边界Γq上的热对流系数，Ta为对流面上的环境温度；由温度变化引起的热应力和热应变可由下式表示：ρ∂2u∂t2+μ∂u∂t+Aσ+f=0]]>ε＝L·uσ＝D(ε-εTh)εTh＝α(T)ΔT[111000]Tσijnj|Γ...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪东澍，王立峰，黄庆安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32