金属互连线电迁移的影响因素

应用有限元分析软件ABAQUS,对金属互连线的电迁移过程进行了电热耦合仿真分析,比较了不同互连线材料、不同温度、不同层间介质等因素对互连线电迁移失效的影响. 结果表明,与铝硅合金互连线相比,在同样电流密度条件下,无论是电势梯度最大值还是热通量最大值,铜互连线的均高于铝互连线的,从而将加速互连线的电迁移;在一定的温度范围内,电流密度是影响互连线电迁移寿命的主要因素,而温度的变化对其影响较小;与SiO2相比,SiN作为层间介质能够防止互连线中的热聚集,有利于互连线热量的散发,从而对于缓解电迁移具有积极的作用.     

铝硅合金互连线电迁移失效试验

随着微电子技术的发展,作为超大规模集成电路互连线的金属薄膜的截面积越来越小,其承受的电流密度急剧增加,电迁移引起的互连失效变得尤为突出.针对集成电路中金属互连线的电迁移现象,以Black方程为基础,对其进行了修正.并以铝硅合金互连线为研究对象,对其电迁移过程进行了详细的加速寿命试验研究,获取了修正后的Black方程中的相关参数,分析了不同环境温度、不同电流密度、不同初始电阻等因素对铝互连线电迁移的影响规律.结果表明,铝硅合金互连线的电迁移寿命与上述参数均成反比关系.     

电迁移对低银无铅微尺度焊点力学行为的影响

研究了电迁移条件下不同电流密度(0.63~1.0×104 A/cm2)和通电时间(0~48 h)对低银无铅Sn-Ag-Cu微尺度焊点的拉伸力学行为的影响. 结果表明,电迁移导致了低银无铅微尺度焊点的抗拉强度显著降低,并且随着电流密度的增加或通电时间的延长,焊点的抗拉强度均呈下降趋势;同时电迁移还导致焊点的拉伸断裂模式发生明显变化,在经历高电流密度或长时间通电的电迁移后,焊点在服役条件下会发生由韧性断裂向脆性断裂的转变. 此外含银量高的微尺度焊点的抗电迁移性能更强.     

电迁移诱发镀层锡须生长行为分析

分析了0.3×104 A/cm2恒定电流密度和四种不同加载时间（0,48,144和240 h）电迁移条件对6.5 μm厚镀锡层表面锡须生长行为的影响,以及不同电流密度对阴极裂纹宽度的影响.结果表明,电迁移加速了镀层表面锡须的形成与生长,随着电迁移时间的延长,锡须长度不断增加.此外,电迁移导致在阴极首先出现了圆形空洞,随后在两极均形成了圆形空洞,并且在阴极处还发现有微裂纹存在,随着电流密度增加,阴极裂纹宽度也随之增加,电流密度为0.5×104 A/cm2时,平均最大裂纹宽度约为9.2 μm.     

电迁移促进Cu/Sn-58Bi/Cu焊点阳极界面Bi层形成的机理分析

研究了Cu/Sn-58Bi/Cu对接接头焊点在电流密度为5×103～1.2×104A/cm2条件下钎料基体中阳极界面Bi层的形成机理.电迁移过程中,Bi元素为主要的扩散迁移元素,在电迁移力的作用下由阴极向阳极进行迁移.由于Bi原子的扩散迁移速度比Sn原子要快,促使Bi原子首先到达阳极界面.大量的Bi原子聚集在阳极界面时,形成了压应力,迫使Sn原子向阴极进行迁移,于是在阳极界面处形成了连续的Bi层.阴极处由于金属原子的离去,形成了拉应力,导致了空洞和裂纹在界面处的形成.Bi层的形态主要分为平坦的Bi层和带有凹槽的Bi层.Bi原子进行扩散迁移的通道有三种:Bi晶界、Sn晶界和Sn/Bi界面.随着电流密度和通电时间的增加,Bi层的厚度逐渐增加.电迁移力和焦耳热的产生成为Bi原子扩散迁移的主要驱动力.     

铁器文物在含氯离子水溶液中局部腐蚀闭塞区化学状态的变化

用模拟闭塞电池恒电流实验研究了铁器文物在3．5％NaCl水溶液中局部腐蚀闭塞区内化学状态的变化．对内试件通入阳极电流后，闭塞区内溶液pH值随通电时间延长和电流密度的增加而下降，pH值与电量的对数成正比，Cl^-向闭塞区内电迁移，迁移量和浓集倍数随时间和电流密度的增加而上升．迁移量与电极上通过的电量呈线性关系。     

交流电作用下Au薄膜热疲劳失效行为的研究

本文研究了交流电致循环热应变作用下200 nm厚Au薄膜的失效行为.结合实验结果和理论计算,确定了交流电作用下6μm宽Au薄膜导线上的温度分布,并由此确定了Au互连线在交流电作用下达到稳定状态后的循环热应变范围.结果表明,应变范围△ε≤0.35%,经过5×10~6cyc热循环后,Au互连线中的晶粒出现不同程度的增长,晶界损伤导致Au互连线的最终失效.对Au薄膜热疲劳、机械疲劳失效行为及其机制进行了分析.     

交流电净化铝合金熔体

进行了工频交流电分离铝合金熔体中夹杂物的实验,探讨电流密度、通电时间、分离器管型等实验参数对夹杂颗粒迁移行为的影响.结果表明:电流密度越大、通电时间越长,分离效果越理想;施加4.7×106A/m2的交流电,并维持40 s通电时间,不同管型的分离器都获得了较明显的分离效果.实验证实单电流电磁净化金属液是可行的.     

结构变化对Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点电迁移行为和组织演变的影响

利用SEM观察、聚焦离子束(FIB)微区分析和有限元模拟对比研究了直角型和线型Cu/Sn-58Bi/Cu微焊点在高电流密度下(1.5×10~4A/cm~2)的电迁移行为,从原子扩散距离和微区域电阻变化及阴阳极物相变化的角度研究了焊点结构变化对电迁移影响的机理.结果表明,2种焊点通电112和224 h后均发生了Bi向阳极迁移并聚集及Sn在阴极富集的现象;直角型焊点阳极由于Bi聚集后膨胀而产生压应力进而导致小丘状凸起和微裂纹出现,而阴极存在拉应力引发凹陷和微裂纹,且沿界面呈非均匀变化.微区组织分析表明,电迁移作用下焊点内部Bi原子的扩散速度大于Sn原子的扩散速度.观察分析和模拟结果还表明,具有结构不均匀性的直角型焊点中电子流易向电阻较小区域聚集而产生电流拥挤效应,这是引起直角型焊点电迁移现象严重的根本原因.     

电子封装微纳连接技术及失效行为研究进展

微纳连接技术是电子封装中的关键技术,近年来,随着电子产品逐渐小型化、轻量化的方向发展,各种先进的微纳连接层出不穷,但仍缺少系统的归纳及总结. 文中对引线键合技术,熔化微连接技术、软钎焊技术、纳米焊膏烧结技术、导电胶连接技术、表面活化键合技术及新兴的纳米连接技术等具有代表性的微纳连接技术进行了综述,并针对软钎焊焊点在热载荷、电载荷、机械载荷及多物理场耦合作用下微互连的失效行为研究进行了总结. 结果表明,未来的微纳连接技术将朝向互连尺寸更加微小,互连方法逐渐智能化,互连材料更加绿色,互连焊点更可靠的方向发展. 软钎焊互连焊点的失效行为分析也将逐渐从单一热场、电场载荷的研究拓展至热—电—力多物理场耦合载荷,与实际工况更加贴合,随着如同步辐射,三维X射线等先进表征技术的不断发展,失效行为及机制的研究也将更加精准.     

Voiding induced stress redistribution and its reliability implications in metal interconnects

The evolution of stress affected by the formation of voids in metal interconnects is studied numerically. The objective is to examine how thermal stresses redistribute in response to voiding, rather than how voids form in response to stress, for gaining insights into the physics of reliability in integrated circuit devices. The finite element method is employed to model the thermal and voiding histories of the interconnect structure. Voiding is simulated by removing relevant material elements in the metal. Bulky and slit-like voids of various sizes are considered. The stress relaxation due to voiding is found to be a local phenomenon, bearing no direct relation with the global thermomechanical conditions of the interconnect. The concept of the saturation void fraction thus needs to be revisited. The stress gradient along the line on both sides of the void is found to be essentially constant for the various void shapes and sizes considered. This has implications on the resolution limit of micro-diffraction techniques needed for sensing the existence of voids. The resulting stress field is also used as the initial condition in modeling the electromigration flux divergence by employing the finite difference method. A mechanistic understanding of electromigration voiding due to the presence of locally debonded slits is established. The debond-induced stress gradient is found to cause back atomic flow, leading to local flux divergence. The flux divergence, and thus the voiding propensity, increases with an increasing size of the debond. The same approach is also used to study if a pre-existing stress-void can grow into an electromigration void. A simple correlation, which appears to rationalize experimental observations, is identified: a large stress-void is more prone to growth during subsequent electromigration. The validity of applying the critical stress concept in characterizing electromigration failure is discussed.     

直流电流作用下AZ91D镁合金半固态等温处理过程中的组织演变

考察了直流电流密度、等温温度及等温时间对AZ91D镁合金半固态组织的影响,对电流影响组织演变的机理进行了探讨．实验结果表明：当等温温度和等温时间一定时,随着电流密度的增加,初生相变得圆整,初生相的尺寸有所减小．但电流密度过高时,初生相尺寸有所增加．直流电流可以加速半固态等温处理的组织演化过程,明显改善枝晶球化效果．直流电流增加扩散激活能,增大溶质原子的扩散系数,促进溶质原子的扩散,从而加速半固态等温过程的组织演化;直流电流作用下的电迁移效应、Joule热效应和Peltier效应都将促进枝晶的熔断和球化．     

Influence of Cell Shape Anisotropy on the Compressive Property of Closed-Cell Al-Si Alloy Foam

Closed-cell Al-Si alloy foams have been prepared by melt route. The cell shape anisotropy ratio of Al-Si alloy foams specimens in relative density range of 0.11-0.39 were measured. The quasi-static compressive tests show that Al-Si alloy foams have higher plastic collapse stress in the longitudinal direction (LD) than in the transverse direction (TD). The plastic collapse stress ratio increases with cell shape anisotropy ratio, which is basically in agreement with Gibson and Ashby model. Moreover, energy absorption capacity of Al-Si alloy foams was investigated. The results show that the energy absorption capacity in the LD is higher than that in the TD.     

强磁场下过共晶铝硅合金凝固过程中初晶硅的迁移行为

研究了在磁场梯度约为25T/m条件下不同磁场强度以及磁场强度约为5T时不同磁场梯度对半熔态Al-18Si合金凝固过程中初晶硅迁移行为的影响。结果表明:当磁场强度大于2.3T时,初晶硅开始迁移,但没有偏聚;当磁场强度达到6.6T时,初晶硅发生迁移并聚集,产生明显的聚集层;且随着磁场强度的进一步增大(磁场强度分别增至7.7和9.9T),聚集层的厚度基本保持不变;当磁场强度不变,随着磁场梯度的增大,初晶硅的偏聚量增加,晶粒尺寸变小。并对磁场强度影响初晶硅迁移的机制进行了探讨。     

等离子喷涂YSZ/NiCrAlY涂层及抗熔融Al-Si腐蚀性能研究

热浸镀Al-Si合金涂层是一种高效的耐蚀技术。然而,其生产过程中与Al-Si熔液直接接触的部件存在严重的Al-Si熔蚀问题。采用大气等离子喷涂(APS)制备了YSZ/NiCrAlY涂层,研究了主气流量对YSZ(Y-Si-Zr)涂层微观组织结构、力学性能的影响规律、涂层的高温稳定性和耐Al-Si熔液腐蚀行为。结果表明,随着主气流量的提升,粒子熔滴的铺展均匀性、涂层致密度、力学性能均先升高后降低。在主气流量(Ar)为40L/min时,涂层显示出最佳的表面平整度、最大的致密度以及最优的力学性能。在1000℃热处理100 h后YSZ涂层的界面结构稳定,孔隙率下降,致密度显著提高。此外,将试样在700℃熔融Al-Si液腐蚀50h后,在YSZ涂层与熔融Al-Si合金的界面没有发现互反应区和元素互扩散现象,并且Al-Si熔液没有渗透进涂层内部而是被阻挡在涂层表面,表明APS制备YSZ/NiCrAlY涂层能够有效地抵抗Al-Si熔液腐蚀,可作为与高温Al-Si熔液接触部件的最有潜力的防护涂层之一。     

选区激光熔化Al-Si合金组织特征及腐蚀行为研究进展

选区激光熔化(selective laser melting, SLM)制备的Al-Si合金在航空航天材料定制化和轻量化的发展中有着巨大潜力。然而,影响SLM成形件寿命的腐蚀行为尚未引起广泛关注。本文结合当前文献报道,根据SLM过程中的凝固特征分析了冶金缺陷和微观组织的形成原因,结合传统铸造Al-Si合金在含氯化合物中的腐蚀机理,进一步论述了SLM制备的Al-Si合金的腐蚀机理,归纳总结了冶金缺陷、微观组织和热处理工艺对于腐蚀行为的影响。发现试样的致密度,表面状态(粗糙度)和共晶Si的含量、形态及分布对腐蚀性能有重要影响。在此基础上,指出了目前SLM工艺下Al-Si合金腐蚀研究中存在的工艺参数不够系统,忽视Mg,Fe等元素的作用,研究手段和范围不够完善等不足以及未来进一步发展的方向。     

Al-Si/Al-Mn复合连铸坯料均匀化热处理研究

对Al-Si/Al-Mn复合连铸坯料通过不同热处理温度和保温时间进行了均匀化热处理研究,并对均匀化热处理后的微观组织、硬度和微观成分分布进行了分析。结果表明:Al-Si/Al-Mn复合连铸坯料经过均匀化热处理后,Al-Si合金一侧的微观组织由粗大的网状结构转化成点状或短棒状混合组织,Al-Mn合金一侧微观组织趋于均匀一致,复合界面处的界限更加明显;均匀化热处理后Al-Si合金硬度有明显下降,但对Al-Mn合金的影响较小;微观元素分布分析表明均匀化热处理后溶质元素更加均匀,在复合界面处溶质元素出现互扩散现象,特别是Mg元素扩散后复合界面模糊;综合分析表明,Al-Si/Al-Mn复合连铸坯料在480℃保温15 h后效果最佳。