TSV，可以做多小？

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来源：内容来自Source：编译自purdue 。

随着计算机处理器体积越来越小、性能越来越强，半导体工程师们正面临芯片运行速度的物理极限。一种策略是将芯片进行三维堆叠，并使用被称为硅通孔 (TSV) 的微型导线作为垂直连接器。普渡大学的研究人员正专注于研究 TSV——它们在保持足够坚固可靠的情况下，可以做到多小。

TSV 是极细的铜线，直径通常为 5 微米（约为人类头发丝厚度的十分之一）。将这些铜线排列在堆叠的硅芯片之间，可以实现芯片间极快的通信速度，从而实现极高的带宽和快速的处理速度。但这需要付出代价。

“先进3D封装的最大挑战之一是散热问题，”机械工程 博士生吕书航说道。“高密度材料如此紧密地排列在一起，产生的热量比传统的2D芯片更多。物理材料开始变形和破裂，从而影响性能和可靠性。”

换句话说，仅仅缩小硅通孔尺寸并增加数量并不能提高芯片速度。物理材料（导线的铜和芯片的硅）在相互接触、升温并开始相互推拉时会遇到问题。随着导线尺寸的减小，问题变得更加棘手——发热问题更加严重，而且导线的弹性也会随着收缩而发生变化。

Lyu 对 TSV 和硅之间的相互作用的研究已被《应用物理学杂志》的封面重点报道。

为了研究这些微观尺度上的热机械应力和应变，Lyu 首先必须构建原型。他制作了硅晶圆样品，其硅通孔阵列的直径分别为 4 微米、2 微米和 1 微米。这项工作是在Birck 纳米技术中心完成的，该中心是普渡大学的一个大型洁净室设施，专注于半导体的制造和特性分析。

随后，吕教授利用多种工具研究了样品的热机械性能。“我们使用拉曼光谱和扫描电子显微镜研究了TSV的微观结构。我们发现，随着TSV的收缩，铜的微观结构发生了显著变化。”

与大多数材料一样，铜具有晶粒结构。Lyu发现，随着TSV尺寸越来越小，铜晶粒本身也变得更小。这改变了它们的弹性响应，这表明TSV尺寸缩小后，其强度实际上可能会有所提高。

Lyu 的联合导师是机械工程助理教授Tiwei Wei和机械工程副教授Thomas Beechem 。他们都研究半导体微观尺度上的传热和热机械响应。普渡大学不断发展的半导体创新生态系统是Purdue Computes 项目的关键支柱之一。Purdue Computes项目是一项涵盖计算部门、物理人工智能、半导体以及量子科学与工程的综合性计划，旨在实现无与伦比的规模化卓越成就。

“我们研究这些材料特性的根本原因是为了未来让半导体变得更好，”吕教授说道，“微观应力和应变与器件的性能直接相关。如果芯片制造商能够利用我们的模型来改进他们的设计和材料，那么半导体的速度将变得更快、更可靠。”

他们总结道，硅通孔 (TSV) 的尺寸缩放对于未来逻辑上逻辑和逻辑上内存计算架构中高密度 3D 集成的发展至关重要。实现这种缩放需要了解相关长度尺度上的热机械响应，因为构成 TSV 大部分的铜的微观结构和特性都取决于尺寸。为此，我们在此研究了周围 Si 的残余应力发展和 TSV 内 Cu 的微观结构演变，因为它们的直径从 5 微米缩小到 1 微米并进行热退火。结合拉曼光谱和电子背散射衍射成像并辅以热机械建模，揭示了等效应力和 TSV 直径之间的非单调趋势。

这种非单调趋势可用弹性热机械模型来解释，该模型考虑了晶圆整体弯曲与局部Cu收缩之间的竞争。这种弹性行为很大程度上归因于Cu平均晶粒尺寸的减小，以及随之而来的强度的提高，而这种减小是随着TSV直径的减小而发生的。因此，鉴于测量应力与弹性模型的一致性，以及晶粒尺寸减小带来的机械强度的提高，可以推断，退火Cu TSV在尺寸从5μm缩小到1μm的过程中，与尺寸更大的同类产品相比，其弹性更高。

https://engineering.purdue.edu/ME/News/2025/wiretowire-tsvs-may-be-the-key-to-faster-semiconductors

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