[發明專利]一種微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測試方法

無效

• 申請號: 201310639313.7
• 申請日: 2013-12-02
• 公開（公告）號: CN103745028A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 廖寧波;陳鵬飛
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 杭州新源專利事務所(普通合伙) 33234
• 代理人: 李大剛

技術領域

本發明涉及一種熱疲勞性能模擬測試方法，特別是一種針對微納器件材料界面的熱疲勞性能模擬測試方法。

背景技術

隨著電子技術的迅速發展，電子技術在軍用和民用的各個領域得到了廣泛的應用。為了保證元器件和設備的熱可靠性以及對溫度壓力變化的惡劣環境條件的適應能力，電子元器件和設備的熱控制和熱分析技術得到了普遍的重視和發展。電子元器件的小型化、微小型化和集成技術的不斷發展，使每個集成電路所包含的元器件數超過了2500個，由于超大規模集成電路（VLSIC）、專用集成電路（ASIC）、超高速集成電路（VHSIC）等微電子技術的不斷發展，微電子元器件和設備的組裝密度在迅速提高。隨著組裝密度的提高，組件和設備的熱流密度也在迅速增加。研究表明，芯片級的熱流密度高達100W/cm²?，它僅比太陽表面的熱流密度低兩個數量級。太陽表面的溫度可達6000℃?，而半導體集成電路芯片的結溫應低于100℃?。如此高的熱流密度，若不采取合理的熱控制技術，必將嚴重影響電子元器件和設備的熱可靠性。納米功能器件中的溫度控制是未來全世界共同面臨的嚴重問題，與溫度多次反復作用相關的界面可靠性分析已經成為世界各國迫切需要解決的關鍵技術。

多層結構和多個界面是電子器件本身以及器件互連和封裝中普遍存在的現象，界面分層失效成為產品性能和可靠性方面關心的重要問題。國內外研究者通過大量實驗發現界面是微系統制造和運行中的關鍵部分，很多破壞和缺陷都發生在界面附近。目前，最小芯片的特征尺寸已經達到微米量級，界面效應越來越明顯，對微觀界面相關物理規律的研究勢在必行。IC朝微小化發展意味著對傳熱的要求越來越高，一些現象如空位、填隙原子、孔洞、雜質，晶格應力、界面效應等對傳熱都有較大影響，其中界面熱阻對微觀傳熱影響較大，而宏觀方法已經不再適用。通過微觀途徑，可以建立起對材料行為的基本認識，它正逐漸成為發展新材料和高性能器件的不可或缺的重要手段。

隨著超大規模集成電路（VLSIC）、專用集成電路（ASIC）、超高速集成電路（VHSIC）等微電子技術的不斷發展，微電子元器件和設備的組裝密度在迅速提高，組件和設備的熱流密度也在迅速增加，與溫度多次反復作用相關的界面可靠性分析已經成為世界各國迫切需要解決的關鍵技術。多層結構和多個界面是電子器件本身以及器件互連和封裝中普遍存在的現象，界面分層失效成為產品性能和可靠性方面關心的重要問題。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測試方法。本發明基于分子動力學，實現材料界面熱疲勞性能模擬及測試方法，從而對不同材料界面組合的結合力進行測試。

本發明的技術方案：一種微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測試方法，其特征在于：先建立材料界面模型，然后對材料界面進行熱流及熱疲勞加載模擬，再利用MD模擬方法對材料界面進行拉伸斷裂模擬和剪切斷裂模擬，從而實現對微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測試。

前述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測試方法中，具體方法按下述步驟進行：

（1）對微納器件材料的兩種材料界面分別建立材料界面MD模型，得SiCN基材料MD模型和基體材料MD模型；

（2）將SiCN基材料MD模型和基體材料MD模型合并得到初始界面結構；

（3）使初始界面結構在300K平衡10ps，水平方向的壓力保持標準大氣壓，垂直界面方向施加20MPa壓力；

（4）加熱到600K并保持20ps，使界面處原子獲得充分弛豫；

（5）退火到300K并保持10ps，垂直界面方向壓力變為標準大氣壓；

（6）弛豫10ps使其達到最小能量狀態，得初始界面模型；

（7）進行熱流及熱疲勞加載模擬；

（8）利用MD模擬方法進行拉伸斷裂模擬和剪切斷裂模擬，得界面斷裂能，實現了對微納米器件中不同材料界面的結合力模擬測試。

前述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測試方法中，所述熱流及熱疲勞加載模擬的方法是，在初始界面模型中底面和頂面的各1nm區域的原子被固定，與之相鄰2nm區域的原子分別施加冷浴和熱浴，每個時間不相同的能量分別從熱浴和冷浴加入和去除，從而在垂直于界面的方向產生熱流，在其他兩個方向采用周期邊界條件，最后采用調溫方式進行模擬熱循環過程。

前述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測試方法中，所述的模擬熱循環方法是，將溫度升高至400K，并在400K平衡20ps；然后逐步將溫度調至250K，在250K平衡20ps后再進行升溫。