(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210828082.3 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙坪坝正 街 174号 (72)发明人 李辉　余越　姚然　赖伟　刘人宽　 朱哲研　周柏灵　段泽宇　陈思宇　 向学位　 (74)专利代理 机构 北京同恒源知识产权代理有 限公司 1 1275 专利代理师 方钟苑 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 模拟芯片界面材料互融机理的功率半导体 器件多层级失效建模方法 (57)摘要 本发明涉及一种模拟芯片界面材料互融机 理的功率半导体器件多层级失效建模 方法， 属于 功率半导体器件失效模拟仿真领域。 该方法包 括： 构建功率半导体器件层 级多物理场有限元模 拟模型， 得到器件截面的电流密度和应力分布； 构建功率半导体元胞层级多物理场有 限元模拟 模型， 并提取器件截面的电流密度和应力分布作 为模型边界条件， 得到各元胞内部任意两种材料 所形成界面的温度和应力分布； 构建功率半导体 材料层级分子动力学模拟模型， 并提取各元胞内 部任意两种材料所形成界面的温度和应力分布 作为模型边界条件， 得到芯片界面材料互融的发 生条件和部位。 本发明实现了宏观器件失效边界 应力向微观材料互融模拟的传递， 能够获取材料 互融的发生条件和部位。 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 CN 115114829 A 2022.09.27 CN 115114829 A 1.一种模拟芯片界面材料互融机理 的功率半导体器件多层级失效建模方法， 其特征在 于， 该方法具体包括以下步骤： S1： 构建功率半导体器件层级多物理场有限元模拟模型， 模拟得到功率半导体器件在 运行过程中的电流密度、 温度和机 械应力分布， 以及器件 截面的电流密度和应力分布； S2： 构建功率半导体元胞层级多物理场有限元模拟模型， 并提取步骤S1中获得的器件 截面的电流密度和应力 分布作为模型边界条件， 模拟得到并联元胞结构的电流密度、 温度 和应力分布， 以及各 元胞内部任意两种材 料所形成界面的温度和应力分布； S3： 构建功率半导体材料层级分子动力学模拟模型， 并提取步骤S2中获得的各元胞内 部任意两种材料所形成界面的温度和应力分布作为模型边界条件， 模拟得到芯片界面材料 互融的发生条件和部位。 2.根据权利要求1所述的功率半导体器件多层级失效建模方法， 其特征在于， 步骤S1 中， 构建功率半导体 器件层级 多物理场有限元模拟模型， 具体包括以下步骤： S11： 建立功率半导体 器件的几何模型； S12： 设置功率半导体器件各层材料的相对材料参数， 包括功率半导体芯片和其他封装 材料的密度、 热膨胀系数、 杨氏模量和泊松比； S13： 设置功率半导体 器件的电 ‑热‑力物理场参数和多物理场耦合关系； S14： 设置功率半导体器件的边界条件， 包括导入器件实际运行工况作为电场输入边界 条件； S15： 对功率半导体 器件进行有限元建模网格剖分； S16： 模拟得到功率半导体器件在运行过程中的电流密度、 温度和机械应力分布， 以及 器件截面的电流密度和应力分布。 3.根据权利要求1所述的功率半导体器件多层级失效建模方法， 其特征在于， 步骤S2 中， 构建功率半导体元 胞层级多物理场有限元模拟模型， 具体包括以下步骤： S21： 建立功率半导体芯片并联 元胞的几何模型； S22： 设置并联元胞的相对材料参数， 包括芯片硅材料、 栅氧层、 芯片表面铝镀层的密 度、 热膨胀系数、 杨氏模量和泊松比； S23： 设置并联 元胞的电‑热‑力物理场参数和多物理场耦合关系； S24： 设置并联元胞的边界条件， 包括导入功率半导体器件层级多物 理场有限元模拟模 型模拟结果中的器件 截面电流密度和应力分布作为模型边界条件； S25： 对并联 元胞进行有限元建模网格剖分； S26： 模拟得到并联元胞结构在器件运行过程中的电流密度、 温度和机械应力分布， 以 及各元胞内部任意两种材 料所形成界面的温度和应力分布。 4.根据权利要求1所述的功率半导体器件多层级失效建模方法， 其特征在于， 步骤S3 中， 构建功率半导体材 料层级分子动力学模拟模型， 具体包括以下步骤： S31： 建立芯片各元胞内部任意两种材料所形成界面的分子动力学几何构型， 包括铝 ‑ 硅界面、 铝 ‑二氧化硅界面和硅 ‑二氧化硅界面； S32： 设置各 元胞内部某界面分子动力学模型的初始条件、 势函数和模拟参数； S33： 设置各元胞内部该界面分子动力学模型的边界条件， 包括功率半导体元胞层级多 物理场有限元模拟模型模拟结果中各元胞内部该界面的温度和应力分布作为模型边界条权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115114829 A 2件； S34： 对各元胞内部该界面进行材料互融分子动力学模拟， 模拟各元胞内部该界面的材 料互融过程， 获取芯片界面材 料互融的发生条件和部位。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115114829 A 3