考虑复杂内部界面特征条件下的三维芯片封装结构的热断裂力学方法研究

本项目以三维芯片封装结构为研究对象，在理论上引入弱界面的概念，能够充分考虑芯片、基板及粘结膜间存在材料扩散区这一实际物理特征，使芯片封装结构的热断裂力学研究向更加接近科学问题的物理本质方向迈进。这是对三维封装结构断裂理论研究方法的新探索。建立了积分区域内包含复杂界面条件下仍具有积分区域无关性的交互作用能量积分，并与扩展有限元方法相结合，使得数值模拟方法能够适应具有多内部界面特征的三维封装结构的热断裂行为研究，从而能够处理裂纹扩展过程中遇到复杂界面时裂纹尖端特性的有效和高效计算问题。该方法使得芯片封装结构具有复杂内部材料界面并且该类界面对结构的热断裂失效具有重要影响这一重要物理事实能够在断裂力学研究方法中得以反映。最后通过验证性实验对所提出的理论方法和数值分析方法进行验证和完善。本研究立足探索三维封装结构热断裂力学基础方法，将对当前和未来高密度芯片封装结构的设计及其安全评价具有重要指导意义。

本项目取得的主要研究成果包括：.1、建立了多层芯片封装结构的弱界面裂纹问题的解析求解模型.本项目以三维芯片封装结构为研究对象，在理论上引入弱界面的概念，能够充分考虑材料扩散区物理特征，同时考虑界面区域可能出现的粘弹性特征，利用非均匀材料的断裂力学建模思想建立了多层封装结构弱界面裂纹问题的解析求解模型。.2、开展了适应复杂界面条件下封装结构热断裂分析的交互作用能量积分研究.本项目中提出了在积分区域含有复杂界面的条件下依然具有积分区域无关性的交互作用能量积分，从而为含复杂界面的封装结构热断裂力学分析提供了极大便利。.3、 开展了基于交互作用能量积分与扩展有限元方法的含复杂界面封装结构的热断裂力学分析方法研究.封装材料内部存在很多的界面，其内部结构的复杂性使得其断裂力学参数很难获取。本部分完成了：(1) 适用于热断裂问题的交互作用能量积分方法与扩展有限元方法的有效结合；(2) 适用于热断裂问题的交互作用能量积分方法的积分区域无关性验证和典型算例分析。本项目的方法能够高效地得到裂纹尖端的热断裂力学参数。.4、研究了热载荷作用下含界面非均匀材料中的T应力问题.研究表明T应力对裂纹扩展方向、塑性区的形状与尺寸以及断裂韧性有很大的影响。本项目基于所提出的具有积分区域无关性的T应力，为裂纹尖端断裂力学评估提供了更深入的评价方法。.5、开展了热冲击载荷下含多裂纹非均匀区域的热断裂力学研究. 这部分研究了复杂界面结构在变化温度载荷作用下对应的热断裂基础问题，给出了热冲击载荷下的交互作用积分形式。该方法可以为处于变化温度作用下的封装结构热断裂力学分析提供支持。.6、提出了热载荷作用下含热-电属性界面的交互作用能量积分.本项目扩充开展了针对具有热-电属性界面条件下的交互作用能量积分研究，提出了在复杂热-电属性界面条件下依然具有积分区域无关性的交互作用能量积分，从而为这类问题裂纹尖端特征量的有效和高效提取解决了基础问题。.本基金项目完成了预期的主要研究目标并在研究内容上有所扩展。利用项目资助，已经发表SCI收录文章4篇，EI收录6篇，ISTP收录3篇。