[00755630]微系统封装新型连接界面多尺度特性研究

高密度微系统封装中广泛采用表面贴装或倒装芯片技术，所形成连接界面在服役过程中的变形特征和失效过程是可靠性分析中的关键问题，其主要原因为连接区是裂纹、损伤等破坏容易产生并发展的部位。随着电子产品外形不断减小、封装密度不断增加，连接界面尺度也随之大幅度降低。连接界面内相比所连接器件厚度相对很小，其内部往往包含由不同材料组成的更加细小的结构。在对器件连接可靠性进行分析预测时，这种尺度上的明显差异将导致传统模拟方法和计算过程繁琐耗时，该项目着重对这种包含异质内部微结构的连接界面行为进行实验测量，并建立微极多尺度界面失效分析理论模型。首先，以高精度干涉法实验测量，分析了解含异质材料微结构连接界面在外加机械/热载荷作用下的变形特征和失效机理。该项目实验研究对采用无铅焊料和各向异性导电胶这两种新型互连材料的器件样品均进行了实验观测分析。由对球栅阵列PBGA器件连接体系中焊接界面测量结果可知，每次热循环过程后都有界面形变累积，尤其端部焊球更为明显。同时界面变形呈现非对称分布，这也是裂缝失效通常首先出现在界面一端的可能原因。根据各向异性导电胶连接样品测量，得到热循环后的位移分布和应变曲线，可知观测面内受热载后不同方向上的变形会产生量级上的差异。其次，针对封装连接界面尺度和结构特点，采用包含尺度参数的微极理论和均匀化方法，建立高效可靠的微极界面多尺度理论模型。将连接界面作为具有有限厚度的界面层，在微极理论框架内，将界面引起的不连续用强间断形式的自变量表示，并采用界面特征长度对相关物理量进行规则化。同时引入内聚力模型，将连接界面开裂过程看作与塑性变形过程耦合的破坏过程，通过对裂缝上、下表面之间的粘接力与相对移动关系的表征，得到界面分层的萌生、扩展直至最后完全断开过程的刻画。建立相应的控制方程组，以合理地描述界面层内所包含微结构的微观失效机理，架设起微结构分层与宏观界面可靠性的联系，从而得到界面失效分析多尺度理论模型。应用所建立微极界面模型，对微系统封装连接界面行为进行数值计算。由于在建立微极界面理论模型过程中，已将界面内微结构的几何与材料参数包括在模型参数中，因此在数值模拟过程中无需逐一具体构建各细小结构。与常用软件ANSYS计算过程的对比，体现了模型简单、高效、节省计算资源的突出特点。将模型基础上的数值模拟结果与实验测量结果进行比较可知，两者一致性很好，进一步验证了所建立多尺度界面模型的有效性。该项目研究为微系统封装可靠性分析与固体力学基础研究的有机结合，为应用学科与基础学科的交叉和融合。在进一步发展理论模型与分析方法的同时，项目组参与人员在研究工作开展过程中，通过样品选择与制备、实验测量分析等，加深了对无铅焊料和各向异性导电胶等新型封装材料性能及工艺的理解，通过建立理论模型及进行模拟分析等，提高了微系统封装可靠性分析水平。同时，通过设备调试与应用、实际样品加工测试等，开展了针对微系统封装界面行为的高精度干涉测量，拓宽了实验仪器应用范围，在尺度效应突出的复杂界面行为的实验方法与测试结果定量分析等方面也得到了完善和提高。该项目原定指标为发表标注受该项目资助的学术论文4-6篇，培养博士研究生1名、硕士研究生2名。在该项目执行期间及完成后，共发表学术论文18篇(其中包括国际期刊5篇，国内核心期刊1篇，国际会议9篇，国内会议3篇)，SCI、EI检索共收录12篇。在项目执行期间共培养博士研究生1名、硕士研究生3名(均按已毕业计)。在电子封装、力学等相关专业领域内权威国际会议宣读了阶段性研究成果，并于2008年日本电子封装国际会议(ICEP)获优秀论文奖(第一作者)，2009年电子封装技术和高密度封装国际会议(ICEPT-HDP2009)获最佳论文奖(第一作者)。综上所述，该项目按研究计划圆满完成既定研究内容，研究成果达到原定考核指标。