热电力耦合作用下焊点多尺度损伤机理研究

The performances of the solder interconnects in electronic packaging will be investigated in current project. The reliability of solders under coupled Thermal-Electric-Mechanical (TEM) loading condition will be studied. Firstly, in order to study the fatigue damage of micro-nano scale solders under TEM loading condition, the nucleation and propagation of voids will be studied. Combined with the macro-scale damage evolution, the existing constitutive law, with the damage model based on the entropy theory, the unified creep plasticity model considering damage will be developed. Secondly, in order to model the stress-strain relationship of solders under TEM condition precisely and develop new constitutive law to be used under TEM condition, the performance of lead-free solder and intermetallics under TEM condition will be studied. Lastly, the constitutive law and the damage law will be coupled to achieve the precise modeling of the degradation of solders. Based on the statistical mechanics, establish the randomization equation of damage initiation and evolution. Based on the entropy theory, the relationship between voids evolution and the change of entropy will be established. Consider the damage method based on the second law of thermodynamics, the quantitative relationship between damage variable and entropy can then be established. Experiments will be conducted to verify the parameters in the model to get a reliable damage law under the action of TEM loading. The project will provide the experimental data; computational model and theory guidance to the reliability of micro-nano scale solder joints in advanced electronic packaging.

本项目拟对新型微电子封装中微纳米焊点在热-电-力多场耦合作用下的多尺度损伤失效机理开展研究，探索疲劳、电迁移、热迁移及应力迁移对焊点损伤的复合作用。首先采用原位观测技术，明确无铅焊料及金属间聚合物在多场条件下的微观孔洞萌生和扩展机理。结合试验和统计力学理论，提出损伤累积导致的孔洞萌生、扩展的随机化方程。其次基于现有的金属材料力学本构关系，结合多场条件下材料宏观试验，开发适用于多场耦合条件下的统一蠕变塑性本构模型，实现焊点材料在多场耦合条件下应力-应变关系的准确模拟。最后基于熵增理论，阐释细观损伤萌生与熵增的规律，建立宏观损伤与细观损伤的定量关系，得到适用于多物理场条件的多尺度损伤模型，并与本项目开发的无铅焊料本构模型耦合，明确在多物理场耦合荷载下微纳米焊点的疲劳损伤机理。从而实现焊点性能退化及可靠性的准确预测，为新一代微电子封装结构的可靠性研究提供力学理论依据、计算模型及关键试验数据。

本项目按计划对热电力耦合作用下焊点多尺度损伤机理开展了相关研究并取得了较为丰硕的成果，顺利完成了项目中提出的各项研究内容。电子封装结构作为芯片制造的重要部件，不仅为芯片提供机械连接，并且能避免外界水汽、杂质、化学物质等对芯片的影响，保证芯片良好的工作环境；另一方面，电子封装结构为芯片提供导热、导电通路，保证芯片稳定的工作环境。随着电子设备向小型化、高集成化发展，封装结构亦向着小型化、芯片的高集成化方向发展，由此封装内芯片单位面积产生的热量增加，并且封装连接结构在工作条件下常受到热、电、力等多场载荷，因此封装连接结构的失效问题是多物理场耦合加载导致的。本项目从封装材料宏观力学性能、高电流密度下损伤和空洞演化、温度时效情况下封装焊点互连结构的疲劳、断裂行为研究这四个方面对微电子封装结构中高密集度焊点在不同工作条件下的破坏机理进行了研究。封装材料宏观力学性能研究主要包含两部分内容。一是考虑焊点加载过程中位错密度的演化机理，开发了基于统一蠕变塑性理论的三维本构模型，并在此基础上预测了新型3D封装结构在不同跌落方式下的易损点。二是在不同尺度上考虑了金属间化合物对焊料力学性能的影响，开发了基于细观力学的多尺度本构模型，将材料的微观变形机理与宏观变形表现联系起来。高电流密度下损伤和微空洞演化研究主要针对电迁移导致的空洞萌生和扩展，基于质量守恒原理，探究了电迁移作用下多空洞的演化情况。温度时效的研究主要包含对Sn-3.0Ag-0.5Cu焊点单轴拉伸疲劳试验，结合Weibull模型探究了不同温度时效情况下焊点的疲劳断裂行为，以及不同时效温度对焊点连接件断裂韧度的影响，并阐明了三种不同的断裂模式。通过上述研究，初步建立了多场耦合下无铅焊点安全性评估体系及实验平台。本项目相关研究成果发表论文23篇，其中本领域主要SCI期刊论文15篇。项目负责人相关研究获得陕西省青年科技奖及陕西高校科技进步一等奖各一项。