半导体器件中棘轮效应诱导裂纹生长的机理研究与模拟分析

这篇研究通过有限元模拟揭示了半导体器件中金属（如铜）在热循环下的棘轮效应（ratcheting）如何驱动邻近脆性材料（如ESL/ELK）的界面裂纹扩展。作者提出用"金属替换为空洞"的简化模型高效计算裂纹能量释放率平台值，为器件可靠性设计提供新思路（涉及CTE、ELK等术语）。

　　

Highlight

棘轮诱导裂纹生长的定性理解

半导体器件集成结构复杂，为阐明基础力学机制，我们通过简化结构（图2a）研究铜的棘轮塑性变形如何导致ESL与ELK两种脆性材料的分层。由于基板热膨胀系数（CTE）大于硅芯片，在150^oC下固化后冷却时，CTE失配会产生剪切应力...

棘轮塑性变形重新分布应力

通过Abaqus模拟无裂纹结构（参数见表1），ESL和ELK设为线性弹性材料（ESL：E=295GPa，ν=0.24，α=3.8ppm/^oC）。铜的循环塑性变形导致应力场重分布，最终达到稳定状态——铜如同"力学旁观者"不再承担剪切载荷。

能量释放率

在ESL-ELK界面引入50nm裂纹（图4插图），热循环下裂纹持续张开。模拟显示：随着循环次数增加，裂纹能量释放率呈阶梯式上升，最终趋于平台值，该现象与铜的棘轮饱和特性直接相关。

平台能量释放率的近似计算

创新性提出将饱和状态的铜等效为空洞（图6a），通过单次温度变化即可计算平台能量释放率。当c/t_ESL=0.5、w_Cu/t_Cu=20、σ_Y=100MPa时，简化模型误差仅3.8%，大幅降低计算成本。

Conclusions

金属棘轮效应可驱动邻近脆性材料裂纹生长，当金属应力饱和后，其力学作用等效于空洞。该发现为半导体器件可靠性设计提供了高效模拟方法。