一种微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法，先建立材料界面模型，然后对材料界面进行热流及热疲劳加载模拟，再利用MD模拟方法对材料界面进行拉伸断裂模拟和剪切断裂模拟，从而实现对微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试。本发明基于分子动力学，实现材料界面热疲劳性能模拟及测试方法，从而对不同材料界面组合的结合力进行测试。
【专利说明】一种微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种热疲劳性能模拟测试方法，特别是一种针对微纳器件材料界面的热疲劳性能模拟测试方法。
【背景技术】
[0002]随着电子技术的迅速发展，电子技术在军用和民用的各个领域得到了广泛的应用。为了保证元器件和设备的热可靠性以及对温度压力变化的恶劣环境条件的适应能力，电子元器件和设备的热控制和热分析技术得到了普遍的重视和发展。电子元器件的小型化、微小型化和集成技术的不断发展，使每个集成电路所包含的元器件数超过了 2500个，由于超大规模集成电路(VLSIC)、专用集成电路(ASIC)、超高速集成电路(VHSIC)等微电子技术的不断发展，微电子元器件和设备的组装密度在迅速提高。随着组装密度的提高，组件和设备的热流密度也在迅速增加。研究表明，芯片级的热流密度高达lOOW/cm2，它仅比太阳表面的热流密度低两个数量级。太阳表面的温度可达6000°C，而半导体集成电路芯片的结温应低于100°C。如此高的热流密度，若不采取合理的热控制技术，必将严重影响电子元器件和设备的热可靠性。纳米功能器件中的温度控制是未来全世界共同面临的严重问题，与温度多次反复作用相关的界面可靠性分析已经成为世界各国迫切需要解决的关键技术。
[0003]多层结构和多个界面是电子器件本身以及器件互连和封装中普遍存在的现象，界面分层失效成为产品性能和可靠性方面关心的重要问题。国内外研究者通过大量实验发现界面是微系统制造和运行中的关键部分，很多破坏和缺陷都发生在界面附近。目前，最小芯片的特征尺寸已经达到微米量级，界面效应越来越明显，对微观界面相关物理规律的研究势在必行。IC朝微小化发展意味着对传热的要求越来越高，一些现象如空位、填隙原子、孔洞、杂质，晶格应力、界面效应等对传热都有较大影响，其中界面热阻对微观传热影响较大，而宏观方法已经不再适用。通过微观途径，可以建立起对材料行为的基本认识，它正逐渐成为发展新材料和高性能器件的不可或缺的重要手段。
[0004]随着超大规模集成电路(VLSIC)、专用集成电路(ASIC)、超高速集成电路(VHSIC)等微电子技术的不断发展，微电子元器件和设备的组装密度在迅速提高，组件和设备的热流密度也在迅速增加，与温度多次反复作用相关的界面可靠性分析已经成为世界各国迫切需要解决的关键技术。多层结构和多个界面是电子器件本身以及器件互连和封装中普遍存在的现象，界面分层失效成为产品性能和可靠性方面关心的重要问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法。本发明基于分子动力学，实现材料界面热疲劳性能模拟及测试方法，从而对不同材料界面组合的结合力进行测试。
[0006]本发明的技术方案:一种微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法，其特征在于:先建立材料界面模型，然后对材料界面进行热流及热疲劳加载模拟，再利用MD模拟方法对材料界面进行拉伸断裂模拟和剪切断裂模拟，从而实现对微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试。
[0007]前述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法中，具体方法按下述步骤进行:
(1)对微纳器件材料的两种材料界面分别建立材料界面MD模型，得SiCN基材料MD模型和基体材料MD模型；
(2)将SiCN基材料MD模型和基体材料MD模型合并得到初始界面结构；
(3)使初始界面结构在300K平衡10ps，水平方向的压力保持标准大气压，垂直界面方向施加20MPa压力；
(4)加热到600K并保持20ps，使界面处原子获得充分弛豫；
(5)退火到300K并保持10ps，垂直界面方向压力变为标准大气压；
(6)弛豫IOps使其达到最小能量状态，得初始界面模型；
(7)进行热流及热疲劳加载模拟；
(8)利用MD模拟方法进行拉伸断裂模拟和剪切断裂模拟，得界面断裂能，实现了对微纳米器件中不同材料界面的结合力模拟测试。
[0008]前述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法中，所述热流及热疲劳加载模拟的方法是，在初始界面模型中底面和顶面的各Inm区域的原子被固定，与之相邻2nm区域的原子分别施加冷浴和热浴，每个时间不相同的能量分别从热浴和冷浴加入和去除，从而在垂直于界面的方向产生热流，在其他两个方向采用周期边界条件，最后采用调温方式进行模拟热循环过程。
[0009]前述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法中，所述的模拟热循环方法是，将温度升高至400K，并在400K平衡20ps ;然后逐步将温度调至250K，在250K平衡20ps后再进行升温。
[0010]前述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法中，所述的利用MD模拟方法进行拉伸断裂模拟方法是，通过增加模拟盒子z方向的尺寸实现应变，每次施加应变为
0.0025，并弛豫20ps，直到完全断裂为止。
[0011]前述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法中，所述的利用MD模拟方法进行剪切断裂模拟方法是，通过对两边材料界面边界的原子在剪切方向施加相反位移实现应变，每次施加应变为0.0025，并弛豫20ps，直到完全断裂为止。
[0012]与现有技术相比，本发明是一种基于分子动力学的材料界面热疲劳性能模拟及测试方法。通过MD模拟界面断裂能可以从计算的角度分析不同的界面组合的结合力。本发明的方法简单，测试的准确性高，减少对产品的损伤，降低测试成本，从而能保证产品的性能和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是melt-quench方法的基本流程图；
图2是MD界面拉伸断裂模拟方法的基本流程图；
图3是传热模型热流边界条件的构建图；
图4是热循环加载前Al-W界面划痕测试结果图； 图5是热循环加载后Al-W界面划痕测试结果图 图6是热循环加载前Cr-W界面划痕测试结果图；
图7是热循环加载后Cr-W界面划痕测试结果图；
图8是划痕实验得到的关键载荷图 图9是模拟方法得到的界面断裂能图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
[0015]实施例。一种微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法，先建立材料界面模型，然后对材料界面进行热流及热疲劳加载模拟，再利用MD模拟方法对材料界面进行拉伸断裂模拟和剪切断裂模拟，从而实现对微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试。
[0016]较优的是，具体方法按下述步骤进行:
晶体材料的MD模型可直接按晶体类型和晶胞参数进行构建，非晶材料的MD模型按melt-quench方法构建,其基本流程如图1所示。
[0017](I)对微纳器件材料的两种材料界面分别建立材料界面MD模型，得SiCN基材料MD模型和基体材料MD模型；
(2)将SiCN基材料MD模型和基体材料MD模型合并得到初始界面结构；
(3)使初始界面结构在300K平衡10ps，水平方向的压力保持标准大气压，垂直界面方向施加20MPa压力；
(4)加热到600K并保持20ps，使界面处原子获得充分弛豫；
(5)退火到300K并保持10ps，垂直界面方向压力变为标准大气压；
(6)弛豫IOps使其达到最小能量状态，得初始界面模型；
(7)进行热流及热疲劳加载模拟；
(8)利用MD模拟方法进行拉伸断裂模拟和剪切断裂模拟，得界面断裂能，实现了对微纳米器件中不同材料界面的结合力模拟测试。
[0018]所述热流及热疲劳加载模拟的方法是，在初始界面模型中底面和顶面的各Inm区域的原子被固定，与之相邻2nm区域的原子分别施加冷浴和热浴，如图3所示，每个时间不相同的能量分别从热浴和冷浴加入和去除，从而在垂直于界面的方向产生热流，在其他两个方向采用周期边界条件，最后采用调温方式进行模拟热循环过程。所述的模拟热循环方法是，将温度升高至400K，并在400K平衡20ps ;然后逐步将温度调至250K，在250K平衡20ps后再进行升温。
[0019]界面热性能计算如下:每一原子的瞬时温度由其周围以半径为r的球形范围内原子的平均温度决定，对于原子j，瞬时温度可以由下式计算，
t_2Il
其中力波兹曼常数，Sj是球形范围内所有原子的动能之和。通过一定体积的热流可以由下式计算，
【权利要求】
1.一种微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法，其特征在于:先建立材料界面模型，然后对材料界面进行热流及热疲劳加载模拟，再利用MD模拟方法对材料界面进行拉伸断裂模拟和剪切断裂模拟，从而实现对微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试。
2.根据权利要求1所述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法，其特征在于:具体方法按下述步骤进行: (1)对微纳器件材料的两种材料界面分别建立材料界面MD模型，得SiCN基材料MD模型和基体材料MD模型； (2)将SiCN基材料MD模型和基体材料MD模型合并得到初始界面结构； (3)使初始界面结构在300K平衡lOps，水平方向的压力保持标准大气压，垂直界面方向施加20MPa压力； (4)加热到600K并保持20ps，使界面处原子获得充分弛豫； (5)退火到300K并保持10ps，垂直界面方向压力变为标准大气压； (6)弛豫IOps使其达到最小能量状态，得初始界面模型； (7)进行热流及热疲劳加载模拟； (8)利用MD模拟方法进行拉伸断裂模拟和剪切断裂模拟，得界面断裂能，实现了对微纳米器件中不同材料界面的结合力模拟测试。
3.根据权利要求2所述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法，其特征在于:所述热流及热疲劳加载模拟的方法是，在初始界面模型中底面和顶面的各Inm区域的原子被固定，与之相邻2nm区域的原子分别施加冷浴和热浴，每个时间不相同的能量分别从热浴和冷浴加入和去除，从而在垂直于界面的方向产生热流，在其他两个方向采用周期边界条件，最后采用调温方式进行模拟热循环过程。
4.根据权利要求3所述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法，其特征在于:所述的模拟热循环方法是，将温度升高至400K，并在400K平衡20ps ;然后逐步将温度调至250K，在250K平衡20ps后再进行升温。
5.根据权利要求2所述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法，其特征在于:所述的利用MD模拟方法进行拉伸断裂模拟方法是，通过增加模拟盒子z方向的尺寸实现应变，每次施加应变为0.0025，并弛豫20ps，直到完全断裂为止。
6.根据权利要求2所述的微纳器件材料界面热疲劳性能模拟测试方法，其特征在于:所述的利用MD模拟方法进行剪切断裂模拟方法是，通过对两边材料界面边界的原子在剪切方向施加相反位移实现应变，每次施加应变为0.0025，并弛豫20ps，直到完全断裂为止。
【文档编号】G06F17/50GK103745028SQ201310639313
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】廖宁波, 陈鹏飞 申请人:温州大学