Modellierung der Metallisierung in integrierten Schaltungen - erste Schritte zu einer Lebensdauervorhersage durch Simulation

• Applicant: Dr.-Ing. Cornelia Schwarz
• Subject Area: Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2012 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 213362725

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Der fortschreitende Trend zur Miniaturisierung und zur Steigerung der Leistungsdichte von integrierten Schaltungen begünstigt das Auftreten von kritischen Bauteilschäden wie Rissentstehung in der dielektrischen Zwischenschicht (ILD), welche zu Kurzschlüssen führt, und Oberflächenaufrauung der Metallisierungsplatte, welche in der Ablösung von Bondverbindungen resultieren kann. Stromführende Bauteilkomponenten heizen sich aufgrund des Ohm’schen Widerstands auf und führen zu einer zyklischen, inhomogenen thermischen Belastung. Der Einsatz von Materialien mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung führt schließlich zu einer mechanischen Beanspruchung, welche die metallischen Werkstoffe bis in den plastischen Bereich hinein belastet. Hierbei wird Aluminium oder Kupfer als metallischer Werkstoff für die Metallisierungsplatte und die Leiterbahnen eingesetzt. Eine experimentelle Lebensdauervorhersage ist zeit- und kostenintensiv, weshalb die angesprochenen Schädigungsformen im Rahmen dieses Projekts simulativ untersucht werden. Es wurde ein Materialmodell für Aluminium (auch anwendbar auf Kupfer) entwickelt, welches den Einfluss der Mikrostruktur, der Korngröße und -orientierung explizit berücksichtigt und so den kleinen Bauteilabmessungen im Mikrometer-Bereich Rechnung trägt. Für die iterative Suche nach dem Gleichgewicht wird die sogenannte Tangentensteifigkeit benötigt, welche das Materialverhalten zu einem bestimmten Zeitpunkt vollständig beschreibt. Eine analytische Lösung ist aufgrund der Komplexität des Materialmodells nur schwer möglich und im Einsatz unflexibel, weshalb eine neue, und im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen, genauere Methode zur numerischen Bestimmung der Tangentensteifigkeit entwickelt wurde. Im Zuge der simulativen Untersuchungen konnten zum einen experimentelle Beobachtungen bestätigt und zum anderen neue Erkenntnisse zum Einfluss der Mikrostruktur gewonnen werden. Die Aufrauung der Metallisierungsplatte ist im Bereich hoher Temperaturschwankungen maximal und wächst mit steigender Zyklenanzahl immer weiter an. Besonders feinkörniges Gefüge mit der Vorzugsrichtung, [111] parallel zur Plattenebenennormale, fördert das Aufrauverhalten. Die zyklische Belastung in den Leiterbahnen führt dazu, dass Material durch plastische Akkumulation vom Bereich niedriger Temperaturschwankung zu dem Bereich hoher Temperaturschwankung fließt. Dieser Vorgang führt zu einer wachsenden Belastung im ILD, welches die Leiterbahnen umgibt. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Auffassung zeigen unsere Untersuchungen, dass der Prozess der plastischen Akkumulation deutlich vor der Rissentstehung im ILD endet (eingespielt ist) und daher nicht Hauptauslöser für die Schädigung sein kann. Vielmehr bestimmt das Belastungsniveau im eingespielten Zustand die Ermüdungsgeschwindigkeit im ILD. Übereinstimmend mit experimentellen Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass eine Kornfeinung in den Leiterbahnen die Belastung auf das ILD signifikant reduziert und damit zu einer Lebensdauerverlängerung beiträgt. Zusätzlich dazu lässt sich das Belastungsniveau nahezu halbieren, wenn die aus dem Herstellungsprozess stammende Textur aufgelöst wird. Die simulativen Vorhersagen werden derzeit vom Kooperationspartner experimentell überprüft.

Publications

• Crystal-plasticity based thermo-mechanical modeling of Al-components in integrated circuits. Computational Materials Science 94 (2014) 122 - 131
  F. Meier, C. Schwarz, E. Werner
  
• Numerical calculation of the tangent stiffness matrix in materials modeling. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 14 (2014) 425 - 426
  F. Meier, C. Schwarz, E. Werner
  
• Microstructure-based modelling of multiphase materials and complex structures. Continuum Mechanics and Thermodynamics (2015) 1 - 22
  E. Werner, R. Wesenjak, A. Fillafer, F. Meier, C. Krempaszky
  
• Calculation of a directed strain perturbation in case of large deformations to determine the tangent stiffness tensor in materials modeling. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 300 (2016) 628 - 642
  F. Meier, C. Schwarz, E. Werner