基于硅通孔(Through silicon via,TSV)互连的三维(3D)封装方式,具有互连路径短、信号延迟小、数据传输带宽大、热输运热阻低和封装体积小等多方面技术优势,可满足IC产品向小型化、多功能和高可靠性集成发展的要求,因而备受重视。然而,由于TSV的核心结构由热膨胀系数差异较大的铜与硅复合构成,制造和使用过程中温度变化导致的热失配内应力难以避免,降低了TSV封装体的热机械稳定性,对TSV封装体的长期工作可靠性构成挑战,因此开展TSV封装体热机械稳定性研究很有必要。本文深入研究了TSV结构特征和工艺因素对其热机械稳定性的影响规律,系统分析了热源、热阻和热应力在TSV封装架构中的分布特性,深度剖析了TSV封装体热输运能力的关键制约因素,在此基础上形成TSV工艺和结构设计准则,并完成了部分仿真结论的实验验证。封装体热机械可靠性的提升对于进一步推动TSV封装技术规模化应用进程至关重要。本文的主要研究内容和创新点如下:首先,建立了几种典型TSV结构的物理模型,包括理想结构TSV模型、侧壁倾斜TSV模型、扇贝纹侧壁的TSV模型和有空洞包夹的TSV模型,并分别仿真分析了典型加载温度下关键结构参数变化对TSV结构热机械稳定性的影响。这些因素包括TSV的孔径、深宽比、孔间距、侧壁倾斜角、扇贝纹理大小、空洞位置及尺寸、孔间距、绝缘层厚度等。仿真结果显示,深宽比大于8的TSV有利于缓解TSV的热应力,要减少设计深宽比为1.0--5.0的TSV;相同深宽比的TSVs(AR=6),孔间距为孔径的1.6倍以上热应力分布更均匀;对于AR≥6的斜孔TSV,倾斜角为10.204~o--12.407 ~o拥有最低的热应力水平;伴随着加载温度的变化,TSV的形变经历了弹性变形阶段、塑性加强阶段和弹塑性变形阶段。其次,研究了三维堆叠封装工艺过程产生的热致应力、应变、TSV结构的变化对TSV热机械性能的影响。分析了初始应力、应变对理想TSV模型的热机械可靠性、疲劳寿命的影响,发现TSV两端交界面及其周围区域的疲劳寿命延长,TSV中段的疲劳寿命缩短。研究了扇贝纹侧壁(具有锯齿波,扇贝纹结构的极端形式)的TSV,分析了扇贝纹、锯齿波数目对TSV热机械可靠性的影响(热应力、应变、应变能、保留区),仿真结果显示锯齿波的存在将降低TSV的可靠性,相对较为平滑的扇贝纹侧壁有利于提高TSV的可靠性。讨论随封装过程不断更新的TSV互连结构的热机械可靠性,后续工艺的进行制约了TSV热变形,再分布层、焊点等结构的加入改变了TSV的变形机制。第三,研究了三维堆叠架构下TSV封装体的热机械特性。以TSV转接板(最简单、完整的TSV微封装体)为研究对象,分析TSV转接板的热机械特性以改善TSV周边热环境、提高TSV封装体的可靠性。基于上述TSV的设计准则,建立了TSV转接板模型(芯片热源,TSV互连线与RDL互连线);分别分析了热源排布、TSV与热源的互连形式、RDL导电层和介质层对TSV转接板热机械特性的影响。通过仿真结果得出,芯片热源的有效散热面积越大散热效果越好,芯片上热源要分散布置在芯片中心位置;缩短TSV-Cu与热源间的互连线的长度可提高热量传递的能力;将RDL介质材料的热导率提高10倍、热膨胀系数控制在与Cu的热膨胀系数相接近的值,可缓解稀疏RDL互连线区域的温度值还可降低转接板的最大热应力值(降低了约16.4%)。最后,进行了仿真结果的实验验证。开发原位测试TSV结构的实验系统,利用方阻热板系统原位测试TSV结构的热变形。根据TSV的原位相对变形量和有效塑性变形讨论了TSV-Cu的热变形机制,TSV-Cu的热变形与TSV-Cu的直径和深度均有关;TSV-Cu的变形分为三个阶段:弹性变形阶段、类塑性强化阶段以及塑性变形阶段(与前面的仿真结果一致)。根据TSV漏电流的测试结果得知相对于扇贝纹(具有锯齿波)侧壁的TSV扇贝纹侧壁的TSV的热机械性能更可靠(与前面的仿真分析一致)。制备了聚酰亚胺与SiC晶须、纳米颗粒的复合材料并测试了复合材料的材料属性。复合材料的热导率可提高10倍以上、强度和硬度也成倍提高、热膨胀系数大幅度降低(从42.5 ppm/~oC可降低到15 ppm/~oC),根据前面的仿真分析可知制备的复合介质材料可大幅度提升TSV转接板的热机械可靠性。