微米尺度下互连焊点断裂和疲劳失效的理论建模及算法研究

由于芯片封装结构日趋微小和复杂化，利用传统方法对其微互连焊点结构失效的正确预测及分析变得日益困难。本项目以新型的圆晶级尺寸封装（WLCSP）微互连焊点结构为研究对象，利用微纳压痕实验结合非线性有限元分析，研究其界面金属间化合物材料微米尺度的力学性能及模型参数的测试方法；发展应变率和三轴应力相关的粘聚力模型，表征其动态的冲击失效；建立拉伸和剪切失效机制共同作用的损伤累积方程, 模拟其热循环疲劳过程；并结合扩展有限元法及粘着区尖端扩展准则，研究复合型加载工况下裂纹的曲线扩展行为，从而更深层次地探究WLCSP微互连焊点结构的失效机理。.本项目旨在提出一种微米尺度材料力学性能及模型参数的测试方法,发展一套能够表征微米尺度下互连结构断裂和疲劳失效的理论模型及相关算法。该成果不仅能够用来对常见的芯片封装失效问题进行可靠性评价、寿命预测和失效机理分析，而且也适用于其他失效相关领域的问题研究。

本项目主要以芯片封装的微互连焊点为研究对象，开展了非线性材料参数和损伤本构模型参数的反演辨识，并对封装结构常见的失效（冲击失效和热循环疲劳失效）问题进行了系统的研究。（1）分别基于卡尔曼滤波算法，遗传算法和蒙特卡罗法等建立了多套反演方法，用来解决不同的参数反演问题。在参数的反演辨识中，我们利用这些反演方法结合实验结果（如：微纳压痕实验和试样的复合型加载断裂实验等）及非线性有限元模拟计算，来研究微尺度下材料的力学性能和模型参数的表征。大量的论证分析表明了上述方法能够有效地解决常见的模型参数表征难题。（2）针对常见的电子器件的冲击和跌落失效，提出了一套用于模拟显式动力学冲击失效的内聚力模型，结合渐进损伤模型来模拟研究焊球结构的失效。通过与焊点冲击失效实验的对比，结果表明该方法能够较好地模拟焊球的冲击失效行为。此外，本项目在此基础上进一步提出了应变率和三轴应力相关的内聚力模型，用来考虑冲击失效过程中动态效应的影响。最后，上述模型及方法进一步地被用来研究封装器件的跌落失效。（3）建立了拉伸和剪切失效机制共同作用的损伤累积方程；同时，发展了一套用于内聚力模型模拟高周疲劳的加速算法，以此大大节省计算时间，使得高周疲劳的模拟成为可能。最后，我们利用上述模型和算法来模拟分析多种封装结构（如：焊锡互连的功率模块，引线互连的功率模块等）的热循环疲劳失效，并运用多种预测方法对这些结构的疲劳寿命进行了预测。本项目提出的方法和模型能够为芯片封装结构的设计和优化提供依据和指导，同时也能用来解决其他相关的实际工程问题。