【摘 要】
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电感是集成电路当中应用最为广泛的无源器件之一,硅通孔（Through-Silicon Via,TSV）技术作为三维集成电路（Three-Dimensional Interagted Circuit,3D IC）的关键技术,为满足电感设计的实际需要提供了新的选择,即TSV电感器。实际制造与应用过程中,TSV电感器中的力场、温度场和电场之间的相互影响是一个非线性耦合的过程,简单地分开考虑应力、热、电的
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电感是集成电路当中应用最为广泛的无源器件之一,硅通孔（Through-Silicon Via,TSV）技术作为三维集成电路（Three-Dimensional Interagted Circuit,3D IC）的关键技术,为满足电感设计的实际需要提供了新的选择,即TSV电感器。实际制造与应用过程中,TSV电感器中的力场、温度场和电场之间的相互影响是一个非线性耦合的过程,简单地分开考虑应力、热、电的变化低估了其带来的负面影响,导致严重的可靠性问题。而且,TSV电感器的应用领域广泛、应用环境复杂。为了保证TSV电感器的可靠性,非常有必要对其多物理场耦合特性进行协同研究。本文分别针对TSV 3D螺旋电感和TSV 3D环式螺旋电感,围绕TSV电感器多物理场问题,开展的主要内容如下:1、考虑到材料热膨胀系数不匹配造成的热应力分布最终对电感电学性能产生的影响,采用ANSYS workbench仿真软件,对电感的热-力-电耦合特性进行研究,得到的电学参数与不考虑多物理场耦合情况下的电学参数进行对比,结果表明P型硅衬底情况下变化最大,TSV 3D螺旋电感电感值与品质因数的变化率分别为18.87%和8.27%,;TSV 3D环式螺旋电感电感值与品质因数的变化率分别为15.81%和6.81%。考虑进一步提高研究效率缩短仿真时间,采用二维平面电路代替三维模型仿真,采用ADS仿真软件,选择TSV 3D螺旋电感构建电感等效电路模型,在电路层面进行物理场耦合研究,结果表明与三维模型仿真结果误差在2%左右,可以替代三维模型进行研究。2、考虑实际通电过程中的电热耦合,采用COMSOLMultiphysics仿真软件,研究器件温度分布,再通过与力场耦合,完成TSV电感器电-热-力耦合特性研究,最终通过对比电学参数来表征影响结果,P型硅衬底情况下变化最大,TSV 3D螺旋电感电感值和品质因数的变化率分别为14.13%和5.91%。考虑工作温度对电感产生的影响,选择TSV 3D环式螺旋电感研究了其随工作温度变化情况下电学参数的变化情况。本文对TSV电感器的多物理场耦合模型进行深度分析,研究结果有利于设计人员预测其在3D IC中的可靠性,对于结构设计优化、降低设计成本等起着非常显著的作用。
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