随着电子产品微型化和高集成度的发展,金属微互连结构所承受的的电流密度急剧增加,较高的电流密度极易使微互连材料发生电迁移现象。本文针对金属微互连结构的电迁移失效问题,设计了考虑不同温度及电流密度的电迁移加速试验,研究了产生不同的电迁移失效模式的微观机理。同时在原子尺度下,利用分子动力学模拟方法,从原子扩散以及机械强度的角度对不同晶体以及晶体之间组成的界面结构可靠性进行了分析,在微观层面上研究了多种因素对电迁移寿命的影响。在宏观上基于原子密度积分法理论体系,考虑材料的退化行为,利用自适应时间步的算法实现对算法的迭代求解,提高了算法的计算效率以及计算精度,并通过SWEAT结构对算法进行了验证。考虑到试验及分子动力学模拟结果,晶体取向会对材料的迁移扩散行为有较大影响,因此本文利用有限元仿真,构造了含不同取向晶粒的有限元模型,并分析了焊点的晶体取向对电迁移寿命的影响。本文首先基于电迁移试验平台,通过实施多组电迁移试验,分别对不同电流密度和温度条件下焊点的失效模式进行分析。通过对比不同工况下焊点内部IMC（金属间化合物）的分布、焊盘的消耗情况以及孔洞与裂纹的位置,结合长时间的恒温老化试验,研究电迁移的两种失效模式（原子的剧烈扩散、裂纹的穿透）的失效机理。同时,考虑到Ni/Au阻隔层对原子在焊盘与焊料之间相互扩散的抑制作用,本文通过对比两种试样（含或不含Ni/Au阻隔层）在电迁移作用下的微观组织演变过程,分析了焊盘对IMC的形成以及Ni/Au阻隔层影响下的电迁移失效规律。另外,本文通过EBSD（电子背散射衍射）技术对试样所用焊点的晶体结构进行分析,发现每个焊点仅含有限个晶粒,因而针对晶粒尺度下的材料性能需要得到更多的关注。其次,针对电迁移及老化试验中焊盘的消耗及IMC的生长规律,本文通过分子动力学模拟,在晶粒尺度下对不同的IMC及晶体界面结构进行了深入研究。分别从原子的扩散行为、晶体的力学性质以及界面结构强度的角度,考虑应力、晶体取向等因素,对电迁移及老化过程中出现的Ag₃Sn、Cu₃Sn以及不同晶体所组成的界面结构可靠性进行分析。结果表明压应力会促进原子的扩散,而拉应力则有相反的效果;焊盘的晶体取向也会对原子的扩散以及界面强度有直接的影响,这种影响取决于焊盘与Cu₃Sn界面原子间的匹配程度。在宏观方面,本文在电迁移原子密度积分法理论体系的基础上,考虑材料性能在电迁移过程中的退化,结合自适应时间步的算法功能,用于模拟过程中的迭代计算以及提高算法的计算效率和计算精度,并将该算法应用于SWEAT结构进行了验证。同时,本文针对共格孪晶以及非共格孪晶两种晶体结构,考虑不同的晶体取向,对试验所用BGA结构进行了模拟,并分析了晶体取向对电迁移寿命的影响。