集成電路芯片熱機械應力特征研究

　　2 結果和討論

　　首先，我們借助紅外熱成像技術測試了芯片在不同工作電流下瞬態熱應力曲線，本實驗 用到的紅外熱像儀是FLIR公司的型號為SC5700的紅外熱像儀，其工作波段為2.5~5.1 mm，數據采集頻率為115Hz，圖2(a)顯示的是熱源5的熱機械應力在不同的工作總電流下隨時間的變化曲線。工作總電流施加方式如下：每條熱源施加0.5 A工作電流，按照5→4→6→3→7→2→8→1→9順序依次增加發光單元數目，則總電流Itotal= n×0.5 A (n=1， 2， 3…9)，每增加一條熱源測試一次熱源5的瞬態熱機械應力，如圖2(a)所示。同時我們測得了熱源5的穩態熱機械應力與工作總電流的關系，如圖2(b)所示。我們通過最小二乘法擬合發現芯片熱機械應力與總工作電流的對數成正比，即



　　為了驗證上述實驗結論，我們利用有限元方法按照實驗電流施加方式模擬了芯片在不同電流密度下芯片熱機械應力與電流的關系，有限元模型如圖1(b)所示，模擬結果如圖3(a)所示。從模擬結果可以看出，在不同電流密度下芯片熱機械應力隨工作 電流呈對數關系，與實驗結果相一致。我們進一步通過最小二乘法擬合得到了系數A，如圖3(b)所示，發現系數A與電流密度呈線性關系。此結果表明隨著電流密度增加芯片熱機械應力增長變快。

　　研究發現，芯片內部熱機械應力達到一定值后會導致芯片發生塑性形變，通過有限元模擬我們得到了芯片溫度與熱機械應力的關系，如圖4所示。文獻報道，當GaAs基芯片局域溫度達到450-500 K時芯片材料就開始發生塑性形變，我們計算結果表明，在局域溫度在450-500 K時，其對應的熱機械應力在40~50 MPa之間^[9]，換言之，當芯片的局域熱機械應力達到40~50 MPa時芯片開始發生塑性變形，導致芯片失效，其電學參數會發生嚴重變化。

　　3 結論

　　作者自主設計了一款芯片在實驗上考核了芯片熱機械應力與工作電流的關系，發現芯片熱機械應力與工作電流呈對數關系。在理論上利用有限元方法驗證了實驗結果，該研究結果為考核集成電路芯片熱機械應力失效奠定了一定的基礎。

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