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半个多世纪以来,集成电路得到了飞速发展,特征尺寸按照MooreS Law所预测地不断缩小,Intel甚至打算2013年推出22nm的处理器。但是由于晶体管物理因素限制,特征尺寸不可能按照Moore’s Law无限缩小。这时就有两个方向继续发展Moores Law,分别是More Moore和More Than Moore。More Moore更多地倚重新器件、新结构的研发,从而进一步提高集成度;More Than Moore更多地侧重于系统级封装来减小整个系统的尺寸。TSV技术就是More Than Moore的一种新型应用技术,它通过芯片的垂直互连减小系统的尺寸。我们高密度3D SiP小组参与了TSV相关技术研究,并形成了一定的知识储备。基于PCB板的微惯性测量单元(uIMU)系统由于尺寸较大限制了其应用范围。同时由于集成度较低,基于PCB板的uIMU系统精度也难以通过集成更多的传感单元来提高。 本文在总结自己参与的时广轶老师项目组uIMU系统应用开发研究工作的同时(主要包括人体运动捕捉系统和手语翻译系统的开发和前期研究,程序调试等工作),结合我们实验室现有的TSV知识储备,对uIMU系统的基于TSV的三维封装进行了初步研究,提出基于TSV的三维堆叠方案,并对这一方案进行了散热方面的改进。根据实验室TSV相关工艺参数,对uIMU系统的基于TSV的三维封装的振动、跌落等机械可靠性进行了有限元分析,计算了四层芯片堆叠情况下的固有频率等参数,并进一步分析了封装结构在振动、跌落冲击下,焊球和TSV结构的应力和应变,发现角点处的焊球和TSV结构更容易失效,因此考虑角点处的焊球和TSV结构仅作为机械互连结构。 基于疲劳理论,进一步分析了TSV直径、TSV圈数、芯片叠层数、填充因素对封装的振动、跌落等机械可靠性的影响。通过比较不同参数下的TSV等结构的等效塑性应变和寿命,发现当TSV直径增大,TSV圈数增加,芯片叠层数较小时,封装结构的振动和跌落可靠性要更好。通过对比发现,填充胶虽然不利于芯片间的散热,但是可以非常明显地提升封装结构的振动和跌落可靠性。