可延展电子互连结构界面强度的分子动力学模拟

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可延展电子互连结构可靠性问题是其电子器件或系统进入商业化应用所面临的主要障碍之一,界面强度是互连结构可靠性的重要内容,系统研究互连结构界面强度的影响因素及其失效机理具有重要的科学意义。目前关于互连结构界面强度的研究多局限在宏观尺度,无法从微观尺度深入分析界面失效机理。本文针对这一问题,以典型的铜-PDMS(聚二甲基硅氧烷)可延展互连结构界面为研究对象,运用分子动力学方法,研究界面强度的主要影响因素及其在拉伸载荷下的失效规律。  首先,建立可延展互连结构封装体基底 PDMS 未交联分子动力学模型,分析其玻璃化转变温度、常温常压下密度等宏观性质,验证模型的有效性。使用Amorphous Cell模块搭建PDMS基底模型,结合系综理论,仿真计算体系在常温常压下的密度值;开发用于获取材料玻璃化转变温度的Perl语言脚本程序,结合自由体积理论,分析未交联PDMS的玻璃化转变温度。结果显示,聚合度为10、20、40的PDMS密度均在1.01 g/cm3左右,这与试验结果0.98 g/cm3吻合良好;三种聚合度PDMS玻璃化转变温度分别为150K、153K、146K,与试验测量值150K非常接近。  其次,建立PDMS基底交联分子动力学模型。开发实现PDMS分子链与交联剂动态交联反应的脚本程序,在Material Studio中搭建该程序的图形用户界面(GUI),搭建出不同交联度的 PDMS 基底模型,分别从交联模型的连续性、晶胞密度特征、交联过程、体系势能变化及体系自由体积变化五个方面分析交联结构的合理性,在此基础上,分析交联度对 PDMS 基底玻璃化转变温度的影响。结果显示,PDMS 玻璃化转变温度随交联度的增加而升高,从交联度为20%时的163K,逐步升高至交联度为100%时的213K。  然后,建立铜导线与交联 PDMS 界面分子动力学模型,分析界面强度的主要影响因素。使用“Build layer”工具搭建交联PDMS-铜界面模型,开发获取界面结合能的脚本程序,分析交联度、温度、导线晶向、导线氧化程度对界面结合能的影响。结果表明,导线晶向、PDMS 交联度对界面结合能基本没有影响;界面结合能在室温(298K)时最大,为0.64J/m2,低于室温时,界面结合能有微弱的下降,高于室温时,结合能表现出明显的下降趋势;与氧化亚铜和氧化铜相比,铜与 PDMS 界面结合强度最高,氧化亚铜-PDMS界面次之,氧化铜-PDMS界面结合强度最低,即铜导线的氧化程度的越高,其与PDMS界面的结合强度越弱。  最后,分析铜-PDMS界面在拉伸载荷下的失效规律。开发实现铜与PDMS界面拉伸破坏的Perl语言脚本程序,分析界面拉伸破坏过程中界面结合能的变化趋势、体系形态变化、体系能量分布变化,分析交联度、温度对界面拉伸破坏机理的影响。结果显示,当拉伸位移在0?-35?之间时,相互作用能与位移基本保持线性关系,作用能下降速率大约在0.049J/m2每10?左右;PDMS与铜界面完全分离时,PDMS层的等效应变在 300%左右,远大于环氧树脂-铜界面失效时的 107.9%;随着拉伸位移的增加,体系中总能量与非键能不断增加,而其他作用能无明显变化;当 PDMS 交联度在83.3%以上时,其与铜界面的失效形式为PDMS与铜直接脱黏附(Debonding)失效,当交联度低于 75%时,界面失效的表现形式为 PDMS 材料的直接断裂;温度的高低对界面拉伸破坏过程结合能的变化趋势基本没有影响。  本文使用分子动力学方法系统分析了铜-PDMS 界面强度的主要影响因素及其在拉伸载荷下的失效规律,为提高互连结构乃至可延展电子器件的可靠性提供了参考依据。
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