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來源：內容來自Source：編譯自purdue 。

隨著計算機處理器體積越來越小、性能越來越強，半導體工程師們正面臨芯片運行速度的物理極限。一種策略是將芯片進行三維堆疊，并使用被稱為硅通孔 (TSV) 的微型導線作為垂直連接器。普渡大學的研究人員正專注于研究 TSV——它們在保持足夠堅固可靠的情況下，可以做到多小。

TSV 是極細的銅線，直徑通常為 5 微米（約為人類頭發絲厚度的十分之一）。將這些銅線排列在堆疊的硅芯片之間，可以實現芯片間極快的通信速度，從而實現極高的帶寬和快速的處理速度。但這需要付出代價。

“先進3D封裝的最大挑戰之一是散熱問題，”機械工程 博士生呂書航說道。“高密度材料如此緊密地排列在一起，產生的熱量比傳統的2D芯片更多。物理材料開始變形和破裂，從而影響性能和可靠性。”

換句話說，僅僅縮小硅通孔尺寸并增加數量并不能提高芯片速度。物理材料（導線的銅和芯片的硅）在相互接觸、升溫并開始相互推拉時會遇到問題。隨著導線尺寸的減小，問題變得更加棘手——發熱問題更加嚴重，而且導線的彈性也會隨著收縮而發生變化。

Lyu 對 TSV 和硅之間的相互作用的研究已被《應用物理學雜志》的封面重點報道。

為了研究這些微觀尺度上的熱機械應力和應變，Lyu 首先必須構建原型。他制作了硅晶圓樣品，其硅通孔陣列的直徑分別為 4 微米、2 微米和 1 微米。這項工作是在Birck 納米技術中心完成的，該中心是普渡大學的一個大型潔凈室設施，專注于半導體的制造和特性分析。

隨后，呂教授利用多種工具研究了樣品的熱機械性能。“我們使用拉曼光譜和掃描電子顯微鏡研究了TSV的微觀結構。我們發現，隨著TSV的收縮，銅的微觀結構發生了顯著變化。”

與大多數材料一樣，銅具有晶粒結構。Lyu發現，隨著TSV尺寸越來越小，銅晶粒本身也變得更小。這改變了它們的彈性響應，這表明TSV尺寸縮小后，其強度實際上可能會有所提高。

Lyu 的聯合導師是機械工程助理教授Tiwei Wei和機械工程副教授Thomas Beechem 。他們都研究半導體微觀尺度上的傳熱和熱機械響應。普渡大學不斷發展的半導體創新生態系統是Purdue Computes 項目的關鍵支柱之一。Purdue Computes項目是一項涵蓋計算部門、物理人工智能、半導體以及量子科學與工程的綜合性計劃，旨在實現無與倫比的規模化卓越成就。

“我們研究這些材料特性的根本原因是為了未來讓半導體變得更好，”呂教授說道，“微觀應力和應變與器件的性能直接相關。如果芯片制造商能夠利用我們的模型來改進他們的設計和材料，那么半導體的速度將變得更快、更可靠。”

他們總結道，硅通孔 (TSV) 的尺寸縮放對于未來邏輯上邏輯和邏輯上內存計算架構中高密度 3D 集成的發展至關重要。實現這種縮放需要了解相關長度尺度上的熱機械響應，因為構成 TSV 大部分的銅的微觀結構和特性都取決于尺寸。為此，我們在此研究了周圍 Si 的殘余應力發展和 TSV 內 Cu 的微觀結構演變，因為它們的直徑從 5 微米縮小到 1 微米并進行熱退火。結合拉曼光譜和電子背散射衍射成像并輔以熱機械建模，揭示了等效應力和 TSV 直徑之間的非單調趨勢。

這種非單調趨勢可用彈性熱機械模型來解釋，該模型考慮了晶圓整體彎曲與局部Cu收縮之間的競爭。這種彈性行為很大程度上歸因于Cu平均晶粒尺寸的減小，以及隨之而來的強度的提高，而這種減小是隨著TSV直徑的減小而發生的。因此，鑒于測量應力與彈性模型的一致性，以及晶粒尺寸減小帶來的機械強度的提高，可以推斷，退火Cu TSV在尺寸從5μm縮小到1μm的過程中，與尺寸更大的同類產品相比，其彈性更高。

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

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