航天高可靠硅基微系统三维集成技术基础研究

3D-TSV Package makes chip-level heterogeneous integration possible while satisfies the demands for high performance, small footprint and high reliability in aerospace applications. This project focuses on the reliability of TSV in aerospace, thermal management for 3D microsystems, key fabrication technologies for silicon interposer and high reliable TSV redundancy architecture. A comprehensive model considering irradiation, electro-migration and thermal-mechanical is established for TSV reliability. An optimization method for 3D heat dissipation is proposed based on the "Entransy" theory. A complete process sequence for silicon interposer is developed with a concentration on void-free TSV filling, dual side redistribution layers and assembly. Build-in self-test and self-repair circuits will be studied to fulfil the requirements for signals, thermal dissipation and power dissipation. The sample embedded computer based on TSV interposer will be designed, fabricated and tested, which will setup a solid foundation for national security applications.

TSV三维封装技术能将不同工艺、不同品种的各类芯片集成为一个高密度微系统，满足以航天计算机为代表的航天电子系统高性能、小型化、集成化和对高可靠性的迫切要求。本项目针对航天应用环境下TSV的可靠性、三维芯片热管理方法、TSV转接板关键工艺和高可靠性冗余通路设计等面临的新现象和新问题开展研究，将揭示辐照、电迁移和热机械可靠性间的耦合机制，建立多载荷场及辐照协同作用下的TSV热机械可靠性模型；基于“火积”耗散新概念传热学理论构建三维集成系统热优化指标体系，获得高度热异质性微纳结构集成系统的热模型和高效热仿真方法；开发高可靠、低应力，转接板成套工艺和设计规则，实现无空洞TSV填充，双面细密布线和组装；在此基础上研究面向航天三维集成的冗余数据通道热电一体化设计方法及内建自测试、自修复电路，设计制作面向航天应用的三维集成嵌入式计算机样机，为国家安全领域的应用奠定基础。

TSV三维封装技术能将不同工艺、不同品种的各类芯片集成为一个高密度微系统，满足以航天计算机为代表的航天电子系统高性能、小型化、集成化和对高可靠性的迫切要求。本项目针对航天应用环境下TSV的可靠性、三维芯片热管理方法、TSV转接板关键工艺和高可靠性冗余通路设计等面临的新现象和新问题开展研究，揭示了辐照、电迁移和热机械可靠性，建立了多载荷协同作用下的TSV热机械可靠性分析模型；基于“火积”耗散新概念传热学理论构建三维集成系统热优化指标体系，获得高度热异质性微纳结构集成系统的热模型和高效热仿真方法；开展了面向航天应用的高可靠、低应力TSV转接板成套制备工艺的研究，形成了面向航天应用的高可靠、低应力TSV转接板成套工艺和设计规则，实现了超薄硅基转接板的正背面异质凸点芯片组装；提出了一种能够修复各种TSV故障的高可靠性双重冗余设计方法，能对局域多TSV故障进行整体重构和修复；设计制作了面向航天应用的三层堆叠嵌入式计算机样机，样机集成了国产多核处理器、大容量SRAM数据存储器、ADC转换器、DAC转换器、CAN总线控制器、UART、定时计数器、SPI控制器，支持JTAG在线调试，支持程序的单步、连续、断点执行，支持SFR及数据存储器的读写，并对其性能进行测试与评价，样机功耗<5W，运行频率为999.99MHz，体积小，质量轻。项目的实施为发展具有我国自主知识产权的航天电子信息装备产品提供科学方法和技术来源，并为国家安全领域的应用奠定了基础。