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耦合多物理场全耦合模型与优化原子通量散度仿真对铝互连电迁移的加速寿命试验与预测
Accelerated Life Test and Prediction of Electromigration in Aluminum Interconnects Coupling Multiphysics Full Coupled Model With Optimized Atomic Flux Divergence Simulation
| 作者 | Xueliang Wang · Shuo Feng · Tao Luo · Jinyuan Zhang · Yaqian Zhang · Zhen Cui |
| 期刊 | IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | SiC器件 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 铝互连 电迁移 电流密度 原子通量 失效时间 |
语言:
中文摘要
随着微电子器件的小型化和高功率需求,封装结构中互连所承载的电流密度不断增加,并达到了电迁移(EM)失效的阈值。在本研究中,我们研究了铝(Al)互连在三种不同电流密度(1/3/5 MA/cm²)下电迁移过程中的微观结构演变和空洞形成情况,并提出了一种将全耦合理论与优化的原子通量散度法相结合的方法。研究结果如下。首先,对于集成电路中的互连,在一定温度范围内,电流密度是影响互连电迁移寿命的主要因素。随着电流密度的逐渐增加,热传递对电迁移的影响不可忽视。原子浓度梯度和应力梯度可以抑制电迁移失效。其次,互连长度的增加和宽度的减小会导致结构内部原子通量增加,从而导致空洞和原子的积累。第三,删除低于失效阈值的原子后,结构会进行动态重构,且模拟结果与实验结果吻合良好。与传统的原子通量散度法相比,基于全耦合理论改进的原子通量散度法能更好地拟合互连失效后原子浓度的变化趋势,失效时间误差降低了约10%。
English Abstract
With the miniaturization and high-power requirements of microelectronic devices, the current density carried by interconnects in packaging structures continually increases and reaches the threshold of electromigration (EM) failure. In this study, we investigated the microstructure evolution and void formation in aluminum (Al) interconnects during EM at three different current densities (1/3/5 MA/cm2) and proposed a method coupling the fully coupled theory with an optimized atomic flux divergence method. The results show as follows. First, for the interconnects in integrated circuits, current density is the main factor affecting the EM lifetime of the interconnects in a certain temperature range. With the gradual increase of current density, the contribution of thermal transfer on EM cannot be ignored. The atomic concentration gradient and stress gradient can inhibit EM failure. Second, the increase of length and the decrease of width of interconnect will lead to the increase of atomic flux inside the structure, resulting in the accumulation of voids and atoms. Third, the structure is dynamically reconstructed after deleting the atoms below the failure threshold and the simulation results agree well with the experimental results. Compared with the traditional atomic flux divergence method, the improved atomic flux divergence method based on the fully coupled theory can better fit the change trend of atomic concentration after interconnect failure, and the failure time error is reduced by about 10%.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于铝互连电迁移加速寿命测试与预测的研究具有重要的工程应用价值。在光伏逆变器和储能系统的功率电子器件中,铝互连作为关键的封装结构,直接承载着高密度电流传输任务。随着我们产品向高功率密度、小型化方向发展,特别是在1500V及以上高压系统中,互连结构面临的电流密度持续攀升,电迁移失效已成为影响产品长期可靠性的核心挑战之一。
该研究提出的多物理场全耦合模型与优化原子通量散度仿真方法,为我们提供了更精确的失效预测工具。研究明确指出,在特定温度范围内,电流密度是影响互连寿命的主要因素,这与我们逆变器和储能变流器在户外高温环境下的实际工作场景高度契合。论文揭示的热传递对电迁移的贡献机制,对优化我们的散热设计具有指导意义。同时,原子浓度梯度和应力梯度对电迁移的抑制作用,为我们改进互连材料配方和工艺参数提供了理论依据。
从技术成熟度评估,该方法已通过实验验证,失效时间预测误差降低约10%,具备工程化应用基础。对阳光电源而言,关键机遇在于将此方法整合到产品设计阶段的可靠性仿真流程中,特别是针对IGBT模块、功率器件封装等关键部件进行寿命预测,从而在设计源头提升25年以上生命周期产品的可靠性。主要挑战在于建立适配我们特定工况(温度循环、湿度、振动等复合应力)的仿真参数库,以及将微观尺度的原子行为模型与宏观器件级可靠性评估有效衔接。