金属微互连结构是集成电路(IC)系统和微电子封装中的重要组成部分。随着电子产品不断向微型化、多功能化和高可靠性方向发展,芯片和元器件的封装密度不断提高,微互连结构间距和尺寸越来越小,导致微互连结构反应界面层占整个微互连结构的体积分数不断增加,而界面层微观组织对微互连结构可靠性的影响非常大。在服役过程中微互连结构界面处常会出现由于金属原子迁移而产生较高密度的Kirkendall空洞和微裂纹,这两种微观缺陷的存在和发展可显著降低金属微互连结构的力学和电学性能,并对其可靠性有严重的影响,目前这方面的问题已成为理论和实验研究的热点之一。由于仅从实验表征难以捕捉和深入研究金属微互连结构中Kirkendall空洞和微裂纹的微观形貌,故而采用计算模拟的方法对Kirkendall空洞和微裂纹的形貌演化和生长行为进行研究显得尤为重要。随着计算机技术和材料科学的发展,在众多研究材料微观组织演化和生长行为的计算模拟方法中,建立在密度泛函理论基础上的晶体相场模型因其可以耦合材料的弹塑性变形、晶粒取向、各向异性等物理和力学特性而成为最有效的方法之一。本论文采用二元晶体相场模型对金属微互连结构中Kirkendall空洞的微观形貌和生长行为进行了系统模拟研究,阐明了金属微互连结构中合金层厚度、合金层杂质含量、合金界面对称性及取向和形变过程对金属微互连结构中Kirkendall空洞的微观形貌及生长行为的影响。随后,采用单组元晶体相场模型对金属微互连结构界面中微裂纹扩展过程进行了研究,分析了初始切口(空位聚集)区域属性、双向拉伸应变及晶粒取向角对金属微互连结构中微裂纹扩展行为的影响。采用二元晶体相场模型模拟研究金属微互连结构中合金层厚度与合金层杂质含量对界面Kirkendall空洞生长行为影响的结果表明,Kirkendall空洞的生长过程包含初始生长阶段和快速生长阶段;Kirkendall空洞的平均尺寸随时间的增加而增大,其数量随时间的增加呈现先增大后减小的变化规律。Kirkendall空洞的平均尺寸和生长指数随着合金层(β相)厚度和合金层杂质含量的增加而增大;合金层厚度和合金层杂质含量对Kirkendall空洞形核方式没有影响,其形核方式为体系形核点饱和后的晶界形核。进一步研究金属微互连结构中合金界面对称性和取向对界面Kirkendall空洞形貌及生长行为的影响规律后发现,Kirkendall空洞的形核方式为体系形核点饱和后的晶界形核,与界面对称性及取向差无关;Kirkendall空洞在小角度界面分布较均匀,在大角度界面分布不均匀且伴随有合并生长现象;Kirkendall空洞数量随时间增加呈现先增加后减少的变化规律;Kirkendall空洞的生长指数随着界面取向差的增加,呈现先减小后增大的变化规律,与界面对称性无关。对金属微互连结构界面Kirkendall空洞在不同形变条件下微观形貌及生长行为的研究发现,Kirkendall空洞的形核方式为体系形核点饱和后的晶界形核,并且形核后沿着平行于界面方向生长,Kirkendall空洞的平均尺寸随着演化时间和应变速率的增加而增大。在较大的恒定和双向循环应变速率情况下(≥7×10-6),Kirkendall空洞在演化后期发生明显的合并生长,其生长指数随恒定应变速率和单向循环应变速率的增加而增大。当双向循环应变速率大于1.0×10-6时,Kirkendall空洞的生长指数随应变速率的增加逐渐增大;当应变速率小于9.0×10-7时,Kirkendall空洞的生长指数随应变速率的增加呈现先增大后减小的变化规律。相同应变速率不同周期长度的改变对Kirkendall空洞生长尺寸的影响较小。相同双向循环的应变速率不同周期长度情况下,Kirkendall空洞生长指数随循环周期长度的增加呈现先增大后减小的变化规律;而相同的单向循环应变速率不同周期长度情况下,Kirkendall空洞生长指数随循环周期长度的增加呈现先减小后增大的变化规律。通过研究初始切口(空位聚集)区域属性、双向拉伸应变和晶粒取向对金属微互连结构界面微裂纹扩展行为的影响发现,随着演化时间的增加,微裂纹扩展长度和扩展面积逐渐增大;而微裂纹的扩展速率逐渐减小,扩展后期呈稳定状态。初始切口(空位聚集)区域为矩形时,相同演化时间下微裂纹扩展长度和扩展面积最大,扩展速率减小的最大;初始切口(空位聚集)区域为圆形时,相同演化时间下微裂纹扩展长度和扩展面积最小,扩展速率减小的最小。随着初始切口(空位聚集)区域原子密度的增加,微裂纹扩展过程中的扩展面积逐渐增加,扩展过程中二次裂纹和三次裂纹的数量逐渐增加。在微裂纹初始切口(空位聚集)区域面积相同情况下,应变越大则越有利于微裂纹的扩展以及二次裂纹和三次裂纹的产生。微裂纹扩展过程中,体系自由能随着演化时间的增加而减小。随着x方向应变和晶粒取向角的增加,微裂纹扩展过程中的原子间距和波动周期逐渐增大。