电迁移是高电流条件下,由于电子流不断与金属原子碰撞并动量交换,进而驱使金属原子沿着电子流方向扩散迁移的现象。电迁移主要发生在微电子封装互连结构内,导致在互连阴极处物质减少而形成空洞,空洞发展为裂纹造成短路破坏,降低整个电子器件的可靠性。随着电子产品不断向着小型化、多功能化、高功率化的趋势发展导致微电子封装互连结构的电流密度持续提高进而达到诱发电迁移的阙值,微电子封装互连结构内电迁移诱发的损伤失效现象已越发突出。电迁移问题已经成为下一代微电子封装互连结构在高电流条件下可靠性的主要问题。本文中针对电迁移诱发的损伤失效进行了力学建模研究,为下一代微电子封装互连结构高电流下的可靠性分析建立理论基础。首先针对微电子封装互连焊点电流集中区域的裂纹化空洞——薄饼型食指状空洞进行研究,根据质量扩散理论建立了包含速度参数和形状参数的食指状空洞在电迁移作用下拓展的二阶非齐次常微分方程,得到了空洞速度与空洞形状的定量关系并解析求解了电迁移作用下的空洞拓展速度。研究表明空洞速度对空洞宽度的敏感性很高,食指状空洞宽度越小空洞拓展越快。计算得到的理论空洞拓展速度较好的吻合焊点电迁移试验中测得的薄饼型食指状空洞拓展速度。在薄饼型食指状空洞研究的基础上,进一步对一般形式下电迁移诱导的空洞形貌演化问题进行分析。利用柯西积分以及共形映射方法求解了以圆形、椭圆形、心形三种基本形状为代表的空洞存在下平面内的电场分布。基于扩散质量守恒得到空洞形状演化的法向速度。基于三种空洞的形状演化趋势,明确了初始空洞的稳态迁移,裂纹化空洞的拓展以及空洞凹陷的机理。研究表明,在半径比较小时初始圆形空洞稳态迁移,当其半径达到一定程度并受到外界干扰后,空洞会向着裂纹或者凹陷两种情况发展且表面张力并不会驱使空洞形状恢复。进一步在单空洞研究的基础上,进行了电迁移诱导下的多空洞形貌演化分析。根据反平面剪切的类比,求解了包含两个圆形空洞在内的平面内电场分布,根据两种基本双圆形空洞模型,进行了电迁移诱导下的多空洞形貌演化趋势的分析,阐明了多空洞形状失稳,融合和分裂的机理。在多空洞分析基础上,明确了空洞裂纹化以及空洞凹陷化产生的物理原因。利用概率统计的相关理论,进一步建立了电迁移作用下焊点内棉絮型群空洞的体积增长的统计物理模型,推导得到焊点内群空洞体积随时间增长的公式,明确了电迁移作用下群空洞体积增长的机理。在对电迁移诱导的损伤演化的基础上,进一步研究了微电子封装互连结构中电迁移破坏的平均失效时间的预测问题。在半经验的平均失效时间公式——Black公式基础上,本文中分别考虑具体的物理机制,分别是:空洞萌生机制,空洞增长机制和焦耳热效应。基于扩散诱导应力求解了空洞萌生问题,利用晶界扩散方法计算了空洞增长的时间,建立热电耦合模型进行了温度集中现象的仿真,利用扩散系数阿伦尼乌斯公式引入焦耳热效应。明确了电迁移寿命预测公式中的电流密度指数的变化机理,解决了工程领域电流密度指数随机变化的悖论,得到了新的具有具体物理意义的电迁移平均失效时间预测公式。随着多物理场力学模型复杂度的不断提高,数值算法越发必要。在多物理问题以及细微观力学研究的基础上,改进传统的多尺度有限元方法,利用等效夹杂理论建立了有限元中数值解与误差的联系,推导多尺度有限元弱形式方程。基于Zienkiewicz—Zhu估计和有限区域内多边形夹杂的Eshelby张量,建立新的细观多尺度有限元方法。分别考虑三角形单元以及四边形单元的情况,并与传统有限元方法和原始细观多尺度方法进行对比。结果表明改进的细观多尺度有限元方法与两种传统方法相比,在不改变刚度矩阵规模的基础上具有更高的精度,更快的收敛速度。改进的细观尺度有限元方法具有自适应及自调整的智能特性,且考虑了单元形状的影响,数值解对网格形状的依赖性低。在未来多物理场条件下的微观损伤的数值模拟中具有较大潜力。