集成電路芯片熱機(jī)械應(yīng)力特征研究

　　2 結(jié)果和討論

　　首先，我們借助紅外熱成像技術(shù)測(cè)試了芯片在不同工作電流下瞬態(tài)熱應(yīng)力曲線，本實(shí)驗(yàn) 用到的紅外熱像儀是FLIR公司的型號(hào)為SC5700的紅外熱像儀，其工作波段為2.5~5.1 mm，數(shù)據(jù)采集頻率為115Hz，圖2(a)顯示的是熱源5的熱機(jī)械應(yīng)力在不同的工作總電流下隨時(shí)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(fā)光單元數(shù)目，則總電流Itotal= n×0.5 A (n=1， 2， 3…9)，每增加一條熱源測(cè)試一次熱源5的瞬態(tài)熱機(jī)械應(yīng)力，如圖2(a)所示。同時(shí)我們測(cè)得了熱源5的穩(wěn)態(tài)熱機(jī)械應(yīng)力與工作總電流的關(guān)系，如圖2(b)所示。我們通過最小二乘法擬合發(fā)現(xiàn)芯片熱機(jī)械應(yīng)力與總工作電流的對(duì)數(shù)成正比，即



　　為了驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我們利用有限元方法按照實(shí)驗(yàn)電流施加方式模擬了芯片在不同電流密度下芯片熱機(jī)械應(yīng)力與電流的關(guān)系，有限元模型如圖1(b)所示，模擬結(jié)果如圖3(a)所示。從模擬結(jié)果可以看出，在不同電流密度下芯片熱機(jī)械應(yīng)力隨工作 電流呈對(duì)數(shù)關(guān)系，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。我們進(jìn)一步通過最小二乘法擬合得到了系數(shù)A，如圖3(b)所示，發(fā)現(xiàn)系數(shù)A與電流密度呈線性關(guān)系。此結(jié)果表明隨著電流密度增加芯片熱機(jī)械應(yīng)力增長變快。

　　研究發(fā)現(xiàn)，芯片內(nèi)部熱機(jī)械應(yīng)力達(dá)到一定值后會(huì)導(dǎo)致芯片發(fā)生塑性形變，通過有限元模擬我們得到了芯片溫度與熱機(jī)械應(yīng)力的關(guān)系，如圖4所示。文獻(xiàn)報(bào)道，當(dāng)GaAs基芯片局域溫度達(dá)到450-500 K時(shí)芯片材料就開始發(fā)生塑性形變，我們計(jì)算結(jié)果表明，在局域溫度在450-500 K時(shí)，其對(duì)應(yīng)的熱機(jī)械應(yīng)力在40~50 MPa之間^[9]，換言之，當(dāng)芯片的局域熱機(jī)械應(yīng)力達(dá)到40~50 MPa時(shí)芯片開始發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致芯片失效，其電學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變化。

　　3 結(jié)論

　　作者自主設(shè)計(jì)了一款芯片在實(shí)驗(yàn)上考核了芯片熱機(jī)械應(yīng)力與工作電流的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)芯片熱機(jī)械應(yīng)力與工作電流呈對(duì)數(shù)關(guān)系。在理論上利用有限元方法驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該研究結(jié)果為考核集成電路芯片熱機(jī)械應(yīng)力失效奠定了一定的基礎(chǔ)。

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