航天电子产品微互联焊点在尺度效应及多应力耦合作用下失效机理

Aerospace industry matters the national security, and aerospace electronic products are the core part of the aerospace system. Under the trend of miniaturization, the service reliability in the extreme harsh space environment is a vital issue concerning the national space development. This project aims to systematically study the interrelated scientific problems of aerospace electronic packaging manufacturing technology on “size effect--interfacial reaction--interfacial characteristics and microstructural evolution--reliability of micro solder joints under multi-field coupling”. The project will establish the theoretical model on the size effect on liquid-solid interfacial reaction during the aerospace electronic packaging manufacturing process, and realize the accurate numerical simulation and prediction of the interfacial reaction for aerospace electronics; reveal the growth kinetics of Kirkendall voids and the microstructural evolution of solder joints in solid-solid interfacial reaction during the manufacturing, launch and storage processes; clarify the growth mechanism of Sn whiskers and explore the method to inhibit the growth of Sn whisker; reveal the failure modes of micro solder joints under extreme conditions (extremely cold and hot, vacuum thermal environment, high current density, mechanical vibration, salt spray, 85 oC and 85% R H aging, etc.); clarify failure mechanism and reliability of micro solder joints under multi-field coupling of heat, electricity, stress, and other physic fields; propose the analysis & evaluation methods for the reliability of the typical aerospace electronic packages; provide the scientific guidance for the manufacturing and reliability design of aerospace electronic products.

航天电子产品是航天系统的核心组成部分，微型化趋势下其在极端苛刻空间环境服役的可靠性是事关国家航天事业发展的重大问题。本项目旨在系统研究微型化趋势下，航天电子封装制造技术中“尺寸效应—界面反应—界面特性与组织演变—多场耦合下微焊点的可靠性”之间本质联系的科学问题。建立尺寸效应下针对航天电子制造工艺过程中液-固界面反应的理论模型，实现对航天电子制造界面反应的精确数值模拟与预测；揭示生产制造、发射场环境变化及长期贮存条件下固-固界面反应特征，Kirkendall空洞生长及微焊点整体结构微观组织演变规律；阐明Sn晶须的生长机制并探索抑制Sn晶须生长的方法；揭示极端环境（极冷极热、真空热环境、高电流密度、机械振动等）条件下微焊点的失效模式；阐明热、电、力多场耦合作用下微焊点的失效机理与可靠性物理；提出航天电子产品典型封装结构系统可靠性的分析方法和评价体系；为航天电子产品制造与可靠性设计提供科学指导。

基于我国航天发展战略以及航天电子产品制造技术水平、微型化技术发展趋势、极端苛刻的空间服役环境等，亟待对高性能、多功能、高可靠性航天电子制造所涉及的基础理论进行系统研究，为航天电子制造提供理论支持与技术储备。本项目系统研究了微型化技术发展趋势下，航天电子封装制造技术中“尺寸效应—界面反应—界面特性与组织演变—多场耦合下微尺度焊点的可靠性”之间本质联系的科学问题。代表性成果包括：1）揭示了尺寸效应对航天电子封装制造微互连工艺过程中微焊点液-固界面反应的影响机制，建立的CGC界面反应理论模型解决了目前代表性的“熟化”界面反应理论模型无法解释“尺寸效应”现象的难题，实现了航天电子制造核心微互连界面反应的精确数值模拟与预测；2）阐明了航天电子微互连焊点固-固电迁移条件下界面IMC的生长动力学和电迁移失效机理，电迁移作用下界面IMC生长演变是化学势通量与电迁移通量之间相互竞争的结果，焦耳热与电流拥挤效应协同使焊点最终发生电迁移失效；3）阐明了航天电子微焊点温度循环条件下的失效模式和可靠性机理，揭示了航天电子微焊点在热疲劳条件下交变剪切应力与Pb元素（Bi元素）固溶-析出-固溶循环协调强化双重作用下的微观组织演变与热疲劳变形行为及可靠性机理；4）验证了尺寸效应下航天电子微焊点的机械振动可靠性，揭示了尺寸效应对振动载荷作用下航天电子BGA器件微观组织演变规律和板级可靠性机理；5）验证了尺寸效应下航天电子微焊点的的盐雾腐蚀可靠性，揭示了尺寸效应下航天电子微互连焊点在多因素（温度、湿度、合金成分、焊点结构等）协同作用下盐雾腐蚀失效行为。提出了航天电子产品典型封装结构系统可靠性的分析方法和评价体系，为航天电子产品制造与可靠性设计提供科学指导。