本项目属于先进芯片封装制造领域，主要研究新型芯片材料及封装结构力学性能及可靠性。近年来，随着国外对芯片技术的进一步限制，开发具有我国自主知识产权的高性能芯片显得愈发急迫。而封装材料及封装技术是芯片研发的重要组成部分。我国针对芯片封装材料和结构的研究起步较国外晚，目前仍与国际先进水平存在一定差距。电子封装结构是集成电路的核心部件之一，主要起到有效固定芯片，保证芯片良好的工作环境，并提供芯片与电路之间电流及导热通路的作用。封装结构的稳定性很大程度上能够决定芯片及整个电子设备的可靠性及工作效率。

随着下一代芯片即将进入7nm至5nm制程，新一代TSV、3D等微电子封装对高密集度焊点性能提出了更高要求。随着封装密度不断增大，以及无铅焊料的广泛应用，带来了很多新的破坏和失效模式，严重制约着封装技术的进一步发展。无铅焊料与铜基板之间会形成准脆性金属间聚合物层（IMC），随着焊点尺寸的减小，IMC层导致的焊点结构失效愈加显著，同时，随着高温及高电流加载，IMC层会生长变厚，导致结构抗变形能力更弱，更易失效。此外，高电流密度会导致电迁移现象，在焊点内部形成大量微孔洞，并在电流作用下拓展，最终发展成宏观裂纹，导致结构失效。之前的电迁移寿命预测模型多为经验公式，且有限元计算模型复杂，计算效率低下。本项目针对这些封装材料及结构失效模式及相关力学机理进行了较为系统的研究。主要成果包括：

（1）通过开发具有自主知识产权的多场耦合下粘塑性材料的蠕变测试方法和试验装置，显著优化了芯片封装结构可靠性预测的精度。基于相关原位试验观测结果，结合相变理论及热力学第二定律，通过建立材料内部缺陷能表征方程得到了封装焊料及结构疲劳裂纹萌生及扩展的预测模型。该模型具有明晰的物理背景，并成功的应用于不同类型封装材料及结构的疲劳寿命预测中。

（2）通过多尺度建模明确封装结构在复杂荷载下的破坏机理。在微观尺度基于质量守恒原理建立了电迁移导致的物质流动偏微分方程式，通过计算力学方法对多物理场进行解耦，得到了物理意义更为明确，计算效率较高的孔洞扩展预测模型。在宏观尺度采用内聚区断裂力学表征IMC导致的焊点层间断裂，并考虑了IMC厚度、材料弹性模量等对焊点力学性能的影响，为封装结构可靠性评估提供了有效途径。通过考虑温度对焊料率敏感性的影响，建立了基于统一蠕变塑性理论的焊料本构方程。再将二者结合，建立了新型封装结构三维有限元计算模型，并用于研究动态荷载下不同封装结构的损伤失效过程。

（3）对潜在的新型封装材料如纳米银及非晶合金等的力学性能进行了探索。借助准点缺陷理论，对典型金属玻璃α弛豫进行了物理描述，建立了典型大块金属玻璃在α弛豫过程中宏观性能与其微观物理机制之间的关系。研究了非晶合金及纳米银材料的塑性、蠕变等力学性能及在封装结构中的可靠性。

围绕上述研究，本项目研究工作历时十余年，8篇代表作论文发表在International Journal of Plasticity、Acta Materialia、Applied Mechanics Reviews、International Journal of Solids and Structures 等本领域高影响力国际期刊上。相关研究共发表学术论文150余篇，其中SCI收录JCR一区、二区期刊论文80余篇。论文被麻省理工大学、耶鲁大学、美国能源部国家实验室、法国国家科学院、清华大学、中科院物理所、力学所、日本东北大学、早稻田大学等100余家大学和研究机构的学者在Physical Review Letters、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等引用1000余次。   该项目2017年获得陕西高校科学技术一等奖。相关研究为我国新型芯片材料及多尺度封装结构的优化设计提供了一定的理论及实验依据和数值仿真模拟工具，推动了固体力学在微尺度芯片材料损伤分析领域的应用，节省了相关领域大量的试验时间和昂贵的试验成本。其中部分研究成果已经被应用于我国新型卫星大尺度高密度BGA器件的可靠性焊接与返修等项目中。