[发明专利]穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计

说明书

技术领域

本发明涉及微纳器件的光电封装技术领域，具体地说是一种穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计。

背景技术

近些年来，微纳器件已经有了一定的发展，但是很多芯片却没有作为产品得到实际应用，其原因之一是没有解决封装问题。硅通孔技术(TSV，Through -Silicon-Via)是第四代封装技术，是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同，TSV能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。部分研究亦在芯片的周边进行通孔，然后进行芯片或晶圆的层叠。由于微纳器件封装难度较大，不能简单地用集成电路封装技术直接去封装微纳器件。在芯片与基板通过焊柱压焊过程中，需要进行热—力特性优化设计，通过疲劳分析优化，准确判断决定凸点与基板焊接效果，并且准确定位基板与凸点的倒装结构的应力集中区，以增强封装结构可靠性。在硅通孔技术（TSV）的制作和使用过程中，TSV 需要承受不同的温度循环，由于转接板上材料的热膨胀系数的不匹配性，其界面处容易发生开裂和分层而导致失效。为了延长使用寿命，需要优化出最佳的通孔尺寸使得其应力最小，从而降低失效的可能性。

目前，在TSV技术的光电封装结构热应力 + 电磁串扰优化设计方面，业界均未有系统地分析方法，一般直接靠操作者凭经验进行反复的参数设置与调整。曾有研究者针对某些压焊部位进行ANSYS仿真，但未能有热疲劳与电磁特性联合验证设计的全盘考虑。也有研究者采用基于并行自适应有限元的方法进行微结构的建模与分析，但此类方法过程复杂，上手慢，提取参数不够简便高效。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计，采用ANSYS二维仿真直观地获得施加载荷后的TSV变形和整体结构应力以及温度分布，将获得的热疲劳特性参数用ANSYS电磁仿真模块和ADS软件分别验证这个结构的串扰特性，最后选取电磁和热疲劳综合效果最好的尺寸组合，从而降低失效的可能性，为制作工艺提供可靠的参考依据，参数提取精确、高效，仿真周期短，优化过程简便，进一步降低封装结构的设计成本。

本发明的目的是这样实现的：一种穿孔式高增益光电系统级封装结构的热疲劳优化设计，其特点是按下述步骤进行封装结构的优化设计：

（一）、封装结构的三维建模

采用ANSYS有限元软件建立微纳器件的二维封装结构模型，然后采用360度旋转立体技术将二维仿真结构转为三维仿真结构。

（二）、结构模型的热疲劳分析

a、将上述三维仿真结构模型进行网格化设置，对划分的网格单元采用有限元法叠加进行温度场模式的载荷分析，将求解得到的“最大温差”等待协同优化设计。

b、对划分的网格单元采用有限元法叠加进行压焊力模式的载荷分析，将求解、收敛得到“疲劳循环次数”等待协同优化设计。

c、将上述三维仿真结构模型采用TSV再仿真，然后在ANSYS有限元软件中建立不同通孔直径下的四分之一TSV 模型，在满足屈曲临界压力值的情况下进行77~300K大温差下的载荷分析，将求解得到的“TSV通孔大温差下的临界寿命”等待协同优化设计。

（三）、协同仿真

将上述三维仿真结构模型采用ANSYS的电磁仿真出电磁分布彩图，然后对电磁分布集中区域的铟柱、焊盘、通孔、传输线间距和基板厚度的结构参数采用ADS软件进行电磁串扰的协同仿真，并将ADS仿真结果进行存储。

（四）、协同优化设计

对上述热疲劳分析和协同仿真结果汇总列表进行分析，然后调整铟柱、焊盘、通孔、传输线间距和基板厚度的结构参数，重复上述步骤（二）~（三）进行多次循环收敛的对比验证，直至选取到电磁和热疲劳性能最佳的结构参数结束优化设计。

本发明与现有技术相比具有优化过程简便，仿真周期短，参数提取精确，从而降低失效的可能性，为制作工艺提供参考依据，而且使用方便、直观、高效，有效降低封装结构的设计成本。

具体实施方式

通过以下具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

（一）、封装结构的三维建模

(1) 、在ANSYS有限元软件中建立模型，分析中采用PLANE 42 单元，在Main Menu→Preprocess→element type中设置。