本文为单一原创研究论文，以下内容为基于原文撰写的学术报告。

作者与发表信息

本文的主要作者包括来自 University of Texas at Arlington 的 Choong-un Kim、Jorge Mendoza、Dong Seok Lee 与 Harikrishnan Kumarasamy，以及来自 Texas Instruments, Inc. 的 Sylvester Ankamah-Kusi、Qiao Chen 和 Patrick Thompson，来自 Cisco Systems, Inc. 的 Tae-kyu Lee 也参与了该项研究。该论文发表于 2026 年 IEEE 76th Electronic Components and Technology Conference（ECTC），会议论文编号为 936，DOI 为 10.1109/ectc51846.2026.00157。研究经费来源于 SRC task #3303.001。

研究背景

随着高性能电子设备与高度集成多功能系统的快速发展，功率输送电路中的互连结构需要承载越来越大的电流。一个典型的例子是人工智能芯片，其工作电流常常超过数百安培。在这样的极端电流条件下，即使电流密度并不总是最高，互连的主要失效位置也会从器件内部转移到封装与印刷电路板（PCB）之间的焊点或引脚连接处。焊点中的微小缺陷，如空洞或裂纹，在大电流条件下会引发局部焦耳热和应力集中，进而激活传统电流条件下极少出现的损伤机制，例如电路热失控、局部翘曲、过度反应导致的导电材料损耗以及铜/基板分层。这些损伤过程还会加速经典电迁移（electromigration, EM），使失效动力学显著偏离传统模型。因此，开展极端电流条件下的互连可靠性测试，需要专门的测试系统与试验方法。本研究的目标正是开发一套能够在 100 A 或更高电流水平下稳定工作的可靠性评估系统，并利用该系统研究大电流互连的主要失效机制。

研究流程与实验方法

作者首先分析了极端电流条件下电迁移测试面临的主要技术挑战。由于被测样品本身以及电流传输硬件都会产生大量焦耳热，在空气中进行测试时，样品温度会迅速升高。例如，一个用于电迁移测试的功率路由 PCB 上组装的电感器，即使在中等电流密度下，也可以使小腔体内的样品温度升高到约 100°C。如果串联十个样品，总焦耳热可能使腔体温度超过 200°C。因此，传统空气环境无法满足大电流测试对温度稳定性和均匀性的要求。

为解决这一问题，作者开发了一种基于浸没式油浴的测试系统。该系统使用硅基导热油，特别是由聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）配制的导热油。这类油在约 300°C 以下具有热稳定性，并且能够高效地从样品中带走焦耳热。图 2 中的结果显示，在硅油中测试时，电感器组件的焊点温度显著低于空气中的测试结果，并表现出更好的温度均匀性。浸没式冷却条件不仅是一种实验室测试手段，也反映了高功率组件在实际工作环境中的散热方式，因此具有现实意义。

测试系统包含六个相同的油浴单元，每个油浴配备中央筒式加热器、油循环通路和温度控制器。为了实现温度均匀，系统在容器底部安装了叶轮，通过磁力耦合由外部电机驱动，从而推动导热油沿导流管循环。系统还设置了温度联锁保护，以防止油温失控引发火灾。由于导热油具有吸湿性，长期使用后会吸收环境中的水分，导致油品降解并可能引起腐蚀。实验过程中观察到油从透明变为黄色，最终变为深灰色，因此系统设定约每 1000 小时更换一次油。

在电流供给方面，作者开发了一种低成本的恒流电源方案。由于被测互连组件的电阻通常在毫欧级，即使通过 100 A 电流，所需电压也低于 1 V，因此不需要高电压电源。该系统将五个降压型变换器（buck converter）并联，每个变换器在恒流模式下工作，由一个 5 V、500 W 的主电源提供输入。通过这种方式，系统能够以约 0.01 Ω 的总负载电阻产生 100 A 的总电流。系统的电压上限设置为 3 V，以确保 500 W 电源能够覆盖所有测试负载和变换器损耗。

在失效机制研究方面，作者首先选择了 QFN（quad-flat no-lead）封装中的焊点作为研究对象。这些焊点厚度约为 80 µm，在 150°C、电流密度为 8000 A/cm²（约 12 A）的条件下进行电迁移测试。虽然 12 A 并非真正意义上的巨电流，但已显著高于常规工作电流，足以激活与极端电流条件相关的失效过程。测试后，作者通过截面扫描电子显微镜（SEM）观察了焊点的微观结构变化。

此外，作者还建立了简化有限元模型（FEM），以研究热冲击条件下界面缺陷如何引发裂纹。模型假设焊点结构由两层 2 µm 厚的金属间化合物（intermetallic compound, IMC）层夹着一层 10 µm 厚的锡焊料层组成，并与宽 290 µm、长 800 µm、厚 350 µm 的铜板连接。模型中在 IMC/Sn 界面设置了一个宽 15 µm、长 50 µm、厚 3 µm 的小空洞。该模型模拟了 40 A 电流脉冲持续 1 秒时的热冲击响应。在此基础上，作者进一步进行了高峰值电流脉冲实验，以验证仿真结果。

主要结果

QFN 焊点的电迁移测试结果显示，电阻随时间的变化曲线看似正常，与传统电迁移测试中常见的电阻演化行为相似。但测试后的截面分析揭示，其主导失效机制并非经典电迁移中常见的靠近界面的富锡区域空洞形成，而是沿 IMC 层发生的裂纹形成与扩展。早期损伤样品中可以观察到大量分布在 IMC 层内的细小裂纹。这些结果表明，虽然 QFN 焊点中的电迁移物质输运行为与其他封装类型类似，即电迁移促进下游端 IMC 加速生长，但最终失效模式有根本性差异。作者认为，这种差异与焊点的大高宽比几何特征有关。大面积的焊点与有限的焊料厚度限制了锡基体通过塑性变形释放应力的能力，使 IMC 层被迫承担大部分电迁移或反应诱导的应力。

有限元模拟进一步支持了这一假设。在 40 A 电流脉冲下，整体温度升高至约 165°C，空洞附近温度略高。应力分析显示，界面缺陷足以在空洞区域以及铜板沿短轴方向的两个外缘处产生拉伸主应力。更有趣的是，铜板边缘的应力水平超过了空洞附近的应力，这可能是因为铜板边缘在热载荷下与相邻层之间存在最大的尺寸失配。该结果提示，设计用于承载极高电流的互连结构在受到电或热载荷时，即使作用时间很短，也存在断裂风险。

高峰值电流脉冲实验的结果与模拟一致。实验中，一个镀镍铜夹（cu clip）组装到 PCB 走线上，其几何结构与仿真模型相同。在经受高峰值电流脉冲后，该铜夹从铜焊盘上脱落。这一结果支持了极端电流互连结构可能通过应力驱动的界面断裂机制发生失效的观点。

结论与研究价值

本研究开发了一套能够在极端电流水平下进行互连可靠性评估的测试系统。该系统利用导热油作为散热介质，有效控制了测试过程中焊点内产生的焦耳热温度，并通过并联降压变换器实现了低成本的 100 A 级恒流输出。试验结果表明，设计用于承载特大电流的互连组件可能通过不同于传统电迁移的机制失效。焊点的几何约束使得 IMC 层承担了大部分应力，导致损伤以 IMC 层内裂纹的形式出现。当存在电迁移损伤或微小裂纹等预先缺陷时，电载荷或热载荷可能促使界面断裂快速发生。这一发现对高功率电子组件，尤其是 AI 芯片封装中的互连可靠性设计与评估具有重要意义。

研究亮点

本研究的亮点在于：第一，开发了一种实用且成本可控的浸没式油浴大电流测试平台，能够有效抑制热失控并保持温度均匀性；第二，发现大高宽比焊点在电迁移条件下以 IMC 层内裂纹为主要失效模式，而非传统的锡基体空洞失效；第三，通过有限元模拟和高峰值电流脉冲实验，揭示了热应力在界面缺陷处的集中效应，提出应力驱动断裂是极端电流互连的潜在关键失效威胁。