一種微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，先建立材料界面模型，然后對(duì)材料界面進(jìn)行熱流及熱疲勞加載模擬，再利用MD模擬方法對(duì)材料界面進(jìn)行拉伸斷裂模擬和剪切斷裂模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試。本發(fā)明基于分子動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)材料界面熱疲勞性能模擬及測(cè)試方法，從而對(duì)不同材料界面組合的結(jié)合力進(jìn)行測(cè)試。
【專利說明】一種微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，特別是一種針對(duì)微納器件材料界面的熱疲勞性能模擬測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子技術(shù)在軍用和民用的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了保證元器件和設(shè)備的熱可靠性以及對(duì)溫度壓力變化的惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)能力，電子元器件和設(shè)備的熱控制和熱分析技術(shù)得到了普遍的重視和發(fā)展。電子元器件的小型化、微小型化和集成技術(shù)的不斷發(fā)展，使每個(gè)集成電路所包含的元器件數(shù)超過了 2500個(gè)，由于超大規(guī)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(shù)的不斷發(fā)展，微電子元器件和設(shè)備的組裝密度在迅速提高。隨著組裝密度的提高，組件和設(shè)備的熱流密度也在迅速增加。研究表明，芯片級(jí)的熱流密度高達(dá)lOOW/cm2，它僅比太陽表面的熱流密度低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。太陽表面的溫度可達(dá)6000°C，而半導(dǎo)體集成電路芯片的結(jié)溫應(yīng)低于100°C。如此高的熱流密度，若不采取合理的熱控制技術(shù)，必將嚴(yán)重影響電子元器件和設(shè)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(yán)重問題，與溫度多次反復(fù)作用相關(guān)的界面可靠性分析已經(jīng)成為世界各國迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003]多層結(jié)構(gòu)和多個(gè)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(xiàn)象，界面分層失效成為產(chǎn)品性能和可靠性方面關(guān)心的重要問題。國內(nèi)外研究者通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)界面是微系統(tǒng)制造和運(yùn)行中的關(guān)鍵部分，很多破壞和缺陷都發(fā)生在界面附近。目前，最小芯片的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到微米量級(jí)，界面效應(yīng)越來越明顯，對(duì)微觀界面相關(guān)物理規(guī)律的研究勢(shì)在必行。IC朝微小化發(fā)展意味著對(duì)傳熱的要求越來越高，一些現(xiàn)象如空位、填隙原子、孔洞、雜質(zhì)，晶格應(yīng)力、界面效應(yīng)等對(duì)傳熱都有較大影響，其中界面熱阻對(duì)微觀傳熱影響較大，而宏觀方法已經(jīng)不再適用。通過微觀途徑，可以建立起對(duì)材料行為的基本認(rèn)識(shí)，它正逐漸成為發(fā)展新材料和高性能器件的不可或缺的重要手段。
[0004]隨著超大規(guī)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(shù)的不斷發(fā)展，微電子元器件和設(shè)備的組裝密度在迅速提高，組件和設(shè)備的熱流密度也在迅速增加，與溫度多次反復(fù)作用相關(guān)的界面可靠性分析已經(jīng)成為世界各國迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。多層結(jié)構(gòu)和多個(gè)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(xiàn)象，界面分層失效成為產(chǎn)品性能和可靠性方面關(guān)心的重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)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(cè)試方法。本發(fā)明基于分子動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)材料界面熱疲勞性能模擬及測(cè)試方法，從而對(duì)不同材料界面組合的結(jié)合力進(jìn)行測(cè)試。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，其特征在于:先建立材料界面模型，然后對(duì)材料界面進(jìn)行熱流及熱疲勞加載模擬，再利用MD模擬方法對(duì)材料界面進(jìn)行拉伸斷裂模擬和剪切斷裂模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試。
[0007]前述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法中，具體方法按下述步驟進(jìn)行:
(1)對(duì)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(jié)構(gòu)；
(3)使初始界面結(jié)構(gòu)在300K平衡10ps，水平方向的壓力保持標(biāo)準(zhǔn)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?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓；
(6)弛豫IOps使其達(dá)到最小能量狀態(tài)，得初始界面模型；
(7)進(jìn)行熱流及熱疲勞加載模擬；
(8)利用MD模擬方法進(jìn)行拉伸斷裂模擬和剪切斷裂模擬，得界面斷裂能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微納米器件中不同材料界面的結(jié)合力模擬測(cè)試。
[0008]前述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)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Inm區(qū)域的原子被固定，與之相鄰2nm區(qū)域的原子分別施加冷浴和熱浴，每個(gè)時(shí)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(chǎn)生熱流，在其他兩個(gè)方向采用周期邊界條件，最后采用調(diào)溫方式進(jìn)行模擬熱循環(huán)過程。
[0009]前述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法中，所述的模擬熱循環(huán)方法是，將溫度升高至400K，并在400K平衡20ps ;然后逐步將溫度調(diào)至250K，在250K平衡20ps后再進(jìn)行升溫。
[0010]前述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法中，所述的利用MD模擬方法進(jìn)行拉伸斷裂模擬方法是，通過增加模擬盒子z方向的尺寸實(shí)現(xiàn)應(yīng)變，每次施加應(yīng)變?yōu)?br> 0.0025，并弛豫20ps，直到完全斷裂為止。
[0011]前述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法中，所述的利用MD模擬方法進(jìn)行剪切斷裂模擬方法是，通過對(duì)兩邊材料界面邊界的原子在剪切方向施加相反位移實(shí)現(xiàn)應(yīng)變，每次施加應(yīng)變?yōu)?.0025，并弛豫20ps，直到完全斷裂為止。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是一種基于分子動(dòng)力學(xué)的材料界面熱疲勞性能模擬及測(cè)試方法。通過MD模擬界面斷裂能可以從計(jì)算的角度分析不同的界面組合的結(jié)合力。本發(fā)明的方法簡單，測(cè)試的準(zhǔn)確性高，減少對(duì)產(chǎn)品的損傷，降低測(cè)試成本，從而能保證產(chǎn)品的性能和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是melt-quench方法的基本流程圖；
圖2是MD界面拉伸斷裂模擬方法的基本流程圖；
圖3是傳熱模型熱流邊界條件的構(gòu)建圖；
圖4是熱循環(huán)加載前Al-W界面劃痕測(cè)試結(jié)果圖； 圖5是熱循環(huán)加載后Al-W界面劃痕測(cè)試結(jié)果圖 圖6是熱循環(huán)加載前Cr-W界面劃痕測(cè)試結(jié)果圖；
圖7是熱循環(huán)加載后Cr-W界面劃痕測(cè)試結(jié)果圖；
圖8是劃痕實(shí)驗(yàn)得到的關(guān)鍵載荷圖 圖9是模擬方法得到的界面斷裂能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但并不作為對(duì)本發(fā)明限制的依據(jù)。
[0015]實(shí)施例。一種微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，先建立材料界面模型，然后對(duì)材料界面進(jìn)行熱流及熱疲勞加載模擬，再利用MD模擬方法對(duì)材料界面進(jìn)行拉伸斷裂模擬和剪切斷裂模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試。
[0016]較優(yōu)的是，具體方法按下述步驟進(jìn)行:
晶體材料的MD模型可直接按晶體類型和晶胞參數(shù)進(jìn)行構(gòu)建，非晶材料的MD模型按melt-quench方法構(gòu)建,其基本流程如圖1所示。
[0017](I)對(duì)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(jié)構(gòu)；
(3)使初始界面結(jié)構(gòu)在300K平衡10ps，水平方向的壓力保持標(biāo)準(zhǔn)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?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓；
(6)弛豫IOps使其達(dá)到最小能量狀態(tài)，得初始界面模型；
(7)進(jìn)行熱流及熱疲勞加載模擬；
(8)利用MD模擬方法進(jìn)行拉伸斷裂模擬和剪切斷裂模擬，得界面斷裂能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微納米器件中不同材料界面的結(jié)合力模擬測(cè)試。
[0018]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Inm區(qū)域的原子被固定，與之相鄰2nm區(qū)域的原子分別施加冷浴和熱浴，如圖3所示，每個(gè)時(shí)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(chǎn)生熱流，在其他兩個(gè)方向采用周期邊界條件，最后采用調(diào)溫方式進(jìn)行模擬熱循環(huán)過程。所述的模擬熱循環(huán)方法是，將溫度升高至400K，并在400K平衡20ps ;然后逐步將溫度調(diào)至250K，在250K平衡20ps后再進(jìn)行升溫。
[0019]界面熱性能計(jì)算如下:每一原子的瞬時(shí)溫度由其周圍以半徑為r的球形范圍內(nèi)原子的平均溫度決定，對(duì)于原子j，瞬時(shí)溫度可以由下式計(jì)算，
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其中力波茲曼常數(shù)，Sj是球形范圍內(nèi)所有原子的動(dòng)能之和。通過一定體積的熱流可以由下式計(jì)算，
【權(quán)利要求】
1.一種微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，其特征在于:先建立材料界面模型，然后對(duì)材料界面進(jìn)行熱流及熱疲勞加載模擬，再利用MD模擬方法對(duì)材料界面進(jìn)行拉伸斷裂模擬和剪切斷裂模擬，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，其特征在于:具體方法按下述步驟進(jìn)行: (1)對(duì)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(jié)構(gòu)； (3)使初始界面結(jié)構(gòu)在300K平衡lOps，水平方向的壓力保持標(biāo)準(zhǔn)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?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)大氣壓； (6)弛豫IOps使其達(dá)到最小能量狀態(tài)，得初始界面模型； (7)進(jìn)行熱流及熱疲勞加載模擬； (8)利用MD模擬方法進(jìn)行拉伸斷裂模擬和剪切斷裂模擬，得界面斷裂能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微納米器件中不同材料界面的結(jié)合力模擬測(cè)試。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，其特征在于: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Inm區(qū)域的原子被固定，與之相鄰2nm區(qū)域的原子分別施加冷浴和熱浴，每個(gè)時(shí)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(chǎn)生熱流，在其他兩個(gè)方向采用周期邊界條件，最后采用調(diào)溫方式進(jìn)行模擬熱循環(huán)過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，其特征在于:所述的模擬熱循環(huán)方法是，將溫度升高至400K，并在400K平衡20ps ;然后逐步將溫度調(diào)至250K，在250K平衡20ps后再進(jìn)行升溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，其特征在于:所述的利用MD模擬方法進(jìn)行拉伸斷裂模擬方法是，通過增加模擬盒子z方向的尺寸實(shí)現(xiàn)應(yīng)變，每次施加應(yīng)變?yōu)?.0025，并弛豫20ps，直到完全斷裂為止。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微納器件材料界面熱疲勞性能模擬測(cè)試方法，其特征在于:所述的利用MD模擬方法進(jìn)行剪切斷裂模擬方法是，通過對(duì)兩邊材料界面邊界的原子在剪切方向施加相反位移實(shí)現(xiàn)應(yīng)變，每次施加應(yīng)變?yōu)?.0025，并弛豫20ps，直到完全斷裂為止。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103745028SQ201310639313
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】廖寧波, 陳鵬飛 申請(qǐng)人:溫州大學(xué)