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不同材料界面传热的多尺度建模及物理机制研究

作　者: 廖宁波
导　师: 杨平
学　校: 江苏大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 分子动力学界面破坏机理微系统传热划痕测试多尺度模拟
分类号: TK124
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 83次
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内容摘要

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,微电子器件有不断向微型化发展的趋势,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。分子动力学(MD)是微观建模的主要手段。许多在实验中无法获得的微观细节,在分子动力学模拟中都可以方便地观察到。这些优点使分子动力学在物理、化学、材料科学等领域研究中显得非常有吸引力。本文就是在这样的背景下,采用分子动力学方法对界面传热过程中的物理特征进行了研究,在通过实验进行模型研究的基础上,进一步研究了纳米级缺陷在传热过程中的演变及对热参数的影响,最后基于前面的MD模型构建了MD/FE多尺度模型框架。主要工作如下:1.界面的形成及特征分析:研究温度对界面区域的影响,模拟拉伸过程研究界面的结合特性。这里采用施加高温高压的方法,模拟扩散键合形成界面的过程。仿真结果表明界面层厚度有随温度增加而增加的趋势,但温度过高会导致不稳定状态的出现。通过对底面和顶面三层原子的位移进行控制,对模型进行拉伸加载,根据得到的应力—应变曲线,应力在达到最大值后突然下降,键合Cu—Al界面的曲线比理想Cu—Al界面更平稳,其拉伸力可以达到理想界面的82%,证明了扩散键合过程对在不同材料间成键的有效性。2.基于实验的模型验证:以石英玻璃为基板,采用磁控溅射法在基板上制备两层厚度为300-500nm的金属薄膜,作为界面试样。对不同界面试样进行热循环加载,然后用划痕仪(日本Rhesca公司)和纳米压痕仪(美国HYSITRON公司)对加载前后的试样进行测试分析。通过对比划痕实验的界面关键载荷结果和MD仿真得到的界面断裂能量结果,可以看出MD计算的结果与实验是相符的,即Al-W界面的结合力比Cr-W界面更大。从热加载的角度分析,热载荷对Al-W界面的影响比Cr-W界面小。根据纳米压痕测试结果,界面结构在经过热循环后弹性模量和硬度均呈现减小的趋势,MD模型得到的弹性模量与实验值有一定差距,但从仿真中也反映了界面结构经过热载荷后弹性模量有所减少的现象,并且对于不同的界面组合而言,仿真结果定性地体现出了弹性模量受热加载影响的程度。3.面向封装界面物理特征的微/纳观研究:用分子动力学描述界面组织演化和材料缺陷特征,计算界面传热的温度分布,热流等参数的变化规律,观察微观界面尺度材料组织的演变,分析热缺陷的产生机制。根据本文的仿真,在尚未达到稳定状态时,在界面附近存在高温区域,而巨大的温差会最终导致应力和裂纹。界面附近出现的高温度和高应力都是由界面处材料的不同造成的,并对界面破坏有重要影响。而对Cu-Al界面和Cu-Cu界面进行的对比研究为了验证了以上结论。探索材料中裂纹对界面热力特性的影响,为封装材料界面破坏机制提供理论依据。4.通过移除一定数量的原子,纳米尺度的裂纹被加入到仿真材料中。从仿真结果可以观察到热流条件下裂纹的扩展过程:在2000时间步时,加入的两条裂纹有扩大的趋势;在4000时间步时,原始裂纹附近出现了位错,在界面处出现了一条新的裂纹;在8000时间步时,原始裂纹和新产生的裂纹不断扩大最终合并,界面出现了分层破坏。在20000时间步时,分层继续扩大。根据裂纹附近的温度分布,表明裂纹的扩展会导致在裂纹扩展方向形成高温区域。另外研究了裂纹长度对热流的影响,在4000时间步前,裂纹越长则对应的热流也较大,而较靠近热源的裂纹对热流有更大的影响。5.界面传热的多尺度模型:构建了针对界面传热的MD-FE多尺度模型。根据仿真结果,多尺度区域的温度分布图可以看出原子区域描述的界面相互作用对有限元区域的影响,并展现出合理的温度梯度,这体现了FE区域和MD区域的相互作用。将多尺度模型计算得到界面热阻与MD模型进行了对比,多尺度模型得到热阻随时间的变化表现出与MD模型相似的趋势;多尺度模型计算得到的热阻更大,这与MD区域和FE区域的耦合机制有关。而在热源温度增加后,两种模型的计算结果有更接近的趋势。通过仿真结果的对比表明,在提高计算效率的同时,在这里建立的多尺度模型可以获得与MD模型相近的精确度。这里的工作对界面传热问题的多尺度建模进行了有益的探索。

全文目录

摘要  6-10
ABSTRACT  10-18
第一章绪论  18-28
  1.1 研究背景  18-19
  1.2 研究现状  19-25
  1.3 本研究的主要内容和技术路线  25-26
    1.3.1 主要研究内容  25
    1.3.2 研究的技术路线  25-26
  1.4 小结  26-28
第二章界面传热的建模和实验研究方法  28-44
  2.1 界面传热的建模方法  28-35
    2.1.1 AMM模型  28
    2.1.2 DMM模型  28
    2.1.3 分子动力学(MD)方法  28-30
    2.1.4 多尺度模拟  30-35
  2.2 界面传热特征参数的实验提取  35-43
    2.2.1 基于TTR限技术的界面热导率测量  35-38
    2.2.2 不同材料界面结合力的测量  38-43
  2.3 小结  43-44
第三章界面传热的分子动力学模型  44-60
  3.1 分子动力学方法  44-49
    3.1.1 基本原理  44-46
    3.1.2 系统运动方程的求解算法  46-47
    3.1.3 势函数  47-49
  3.2 MD模型的构建  49-51
  3.3 界面特征参数的计算  51-52
    3.3.1 界面热参数的计算  51-52
    3.3.2 应力的计算  52
  3.4 电子—声子耦合  52-54
    3.4.1 背景  52-54
    3.4.2 结果及讨论  54
  3.5 尺寸效应  54-56
  3.6 界面微结构的构建  56-58
    3.6.1 键合的模拟  56-57
    3.6.2 拉伸  57-58
  3.7 小结  58-60
第四章基于实验的MD模型验证及分析  60-78
  4.1 介绍  60
  4.2 试样的制备  60-63
    4.2.1 溅射镀膜法  60-62
    4.2.2 界面试样的制备方法  62-63
  4.3 热循环加载  63-65
  4.4 划痕测试  65-69
  4.5 纳米压痕测试  69-75
  4.6 小结  75-78
第五章不同材料界面传热的纳观物理特征  78-92
  5.1 理想材料的界面传热机制  78-80
    5.1.1 非稳态下的热特性  78-79
    5.1.2 材料匹配对界面传热的影响  79-80
    5.1.3 热参数的温度依赖性  80
  5.2 材料缺陷对界面传热的影响  80-90
    5.2.1 点缺陷和线缺陷  80-81
    5.2.2 裂纹的导入  81-82
    5.2.3 裂纹的扩展  82-86
    5.2.4 裂纹扩展过程的温度分布  86-89
    5.2.5 裂纹扩展过程的热流特征  89-90
  5.3 小结  90-92
第六章界面传热的多尺度模型  92-100
  6.1 背景  92-93
  6.2 多尺度模型的构建  93-95
  6.3 结果及讨论  95-97
  6.4 小结  97-100
第七章总结与展望  100-106
  7.1 全文总结  100-103
  7.2 未来研究展望  103-106
参考文献  106-116
致谢  116-118
附录A AI-W试样和Cr-W试样的划痕测试结果  118-120
读博期间的研究成果  120-124
读博期间获得的荣誉及主要参与课题  124

不同材料界面传热的多尺度建模及物理机制研究

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