温度梯度对微尺度焊点液-固界面反应与凝固行为的影响及调控机制

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号：
    51675080
  • 项目类别：
    面上项目
  • 资助金额：
    62.0万
  • 负责人：
    赵宁
  • 依托单位：
    大连理工大学
  • 学科分类：
    E0508.成形制造
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2016
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The size of solder joints in advanced packaging is continuously downsizing. In the processes of soldering and thermocompression bonding, a certain temperature gradient may form in micro solder joints due to small temperature fluctuation and directional energy transmission. This can result in an obvious thermomigration (TM) of atoms, which significantly affects the growth of intermetallic compound (IMC) at liquid-solid interface. Moreover, our latest research results showed that a temperature gradient during soldering can induce a preferred orientation of Sn-based solder after solidification. However, the mechanism is not clear yet. In this project, the growth and evolution of interfacial IMC and the dissolution of under bump metallization (UBM) in micro solder joints (<100μm) under temperature gradient will be in situ observed by using synchrotron radiation real-time imaging technology. The law and influence factors of TM of atoms during soldering will be revealed. The theoretical model of interfacial IMC growth under temperature gradient will be established. At the same time, the solidification of micro solder joint will be controlled by regulating atom diffusion using temperature gradient. Combining with microstructure analysis after soldering, the formation mechanism of Sn grains with specific orientation will be clarified and the growth model of Sn grains under temperature gradient will be established. Based on the above research results, new interconnection technology will be developed to control the liquid-solid interfacial reaction and solidification of micro solder joints by using temperature gradient. Finally, the project will provide theoretical and practical guidance for high reliable interconnection of micro solder joints in advanced packaging.
先进封装互连焊点尺寸的持续减小，导致钎焊和热压键合工艺中温度微小波动和能量定向传输都会使微焊点内产生一定的温度梯度，引发原子发生明显的热迁移行为，显著影响液-固界面金属间化合物（IMC）生长；此外，申请人最新研究发现，钎焊时温度梯度还会诱导Sn钎料凝固组织具有明显的择优取向特征，以上相关机制还不清楚。本项目拟利用同步辐射实时成像技术原位观测温度梯度下微尺度焊点（<100μm）液-固界面IMC生长、演变及基体溶解行为，揭示钎焊过程中原子热迁移的规律和影响、控制因素，建立温度梯度下液-固界面IMC生长理论模型；同时，探索利用温度梯度控制原子扩散对微焊点凝固行为进行调控，结合焊后显微组织分析，阐明特定取向Sn晶粒的形成机制，建立温度梯度下Sn晶粒择优生长模型。在此基础上，开发利用温度梯度调控微尺度焊点液-固界面反应与凝固行为的新技术，为实现先进封装微尺度焊点的高可靠互连提供理论和实践指导。

结项摘要

先进封装互连焊点尺寸持续减小，导致钎焊和热压键合工艺中温度微小波动和能量定向传输都会使微焊点内产生一定的温度梯度，引发原子发生明显的热迁移行为，显著影响微焊点液-固界面金属间化合物（IMC）生长及焊后晶粒特征。本项目在钎焊时引用温度梯度，结合同步辐射实时成像技术及微结构与晶体取向分析技术，系统研究了钎焊过程中微焊点金属原子热迁移行为及驱动力、液-固界面反应行为及IMC生长动力学、温度梯度对界面IMC晶粒与Sn晶粒取向的影响及调控。主要研究成果如下：1）基于Cu原子扩散通量关系建立温度梯度下微焊点液-固界面Cu6Sn5生长理论模型，实现界面Cu6Sn5生长与溶解动力学及热端界面Cu6Sn5临界厚度的准确预测；2）发现添加Zn元素可有效抑制热端Cu基体的溶解和冷端界面IMC的生长，阐明热端界面Cu-Zn IMC层脱落的机制，揭示出添加Zn元素提高焊点液-固热迁移抗力的机理；3）发现温度梯度下冷端界面Cu6Sn5晶粒在单晶(111)Cu上可持续外延生长，不仅棱晶状形貌得到保持还具有强烈的织构特征，提出温度梯度下制备择优取向全IMC微焊点的方法；4）揭示出微焊点在温度梯度下凝固形成强烈织构特征Sn晶粒的机制，建立Sn晶粒c轴与温度梯度方向之间的角度关系，为微焊点Sn晶粒取向调控提供新思路。上述研究成果可为实现先进封装微尺度焊点的高可靠互连提供理论和实践指导。共发表学术论文32篇，其中在Appl. Phys. Lett.、J Alloys Compd、Mater. Res. Bull.、Mater. Chem. Phys.等期刊上发表SCI论文24篇，在ECTC等国际学术会议上发表EI论文8篇；授权中国发明专利9项；培养博士研究生毕业2名，硕士研究生毕业4人。

项目成果

期刊论文数量（24）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（8）
专利数量（6）
Effects of cooling rate and joint size on Sn grain features in Cu/Sn-3.5Ag/Cu solder joints
冷却速率和接头尺寸对 Cu/Sn-3.5Ag/Cu 焊点中 Sn 晶粒特征的影响
  • DOI：
    10.1016/j.mtla.2020.100929
  • 发表时间：
    2020-12-01
  • 期刊：
    MATERIALIA
  • 影响因子：
    3.4
  • 作者：
    Chang, Z. Y.;Zhao, N.;Wu, C. M. L.
  • 通讯作者：
    Wu, C. M. L.
Heat and mass transfer effects of laser soldering on growth behavior of interfacial intermetallic compounds in Sn/Cu and Sn-3.5Ag0.5/Cu joints
激光焊接的传热传质对 Sn/Cu 和 Sn-3.5Ag0.5/Cu 接头界面金属间化合物生长行为的影响
  • DOI：
    10.1016/j.microrel.2017.11.016
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    Microelectronics Reliability
  • 影响因子：
    1.6
  • 作者：
    A. Kunwar;S.Y. Shang;P. Råback;Y.P. Wang;J.L. Givernaud;J. Chen;H.T. Ma;X.G. Song;N. Zhao
  • 通讯作者：
    N. Zhao
Study of Three-Dimensional Small Chip Stacking Using Low Cost Wafer-Level Micro-bump/B-Stage Adhesive Film Hybrid Bonding and Via-Last TSVs
使用低成本晶圆级微凸块/B阶粘合膜混合键合和后通孔 TSV 进行三维小芯片堆叠的研究
  • DOI：
    10.1007/s11664-018-6701-z
  • 发表时间：
    2018-12-01
  • 期刊：
    JOURNAL OF ELECTRONIC MATERIALS
  • 影响因子：
    2.1
  • 作者：
    Yao, Mingjun;Zhao, Ning;Ma, Haitao
  • 通讯作者：
    Ma, Haitao
Synchrotron radiation imaging study on the rapid IMC growth of Sn-xAg solders with Cu and Ni substrates during the heat preservation stage
Cu、Ni基体Sn-xAg焊料保温阶段IMC快速生长的同步辐射成像研究
  • DOI：
    10.1007/s10854-017-7951-x
  • 发表时间：
    2018
  • 期刊：
    Journal of Materials Science: Materials in Electronics
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Guo Bingfeng;Kunwar Anil;Jiang Chengrong;Zhao Ning;Sun Junhao;Chen Jun;Wang Yunpeng;Huang Mingliang;Ma Haitao
  • 通讯作者：
    Ma Haitao
In situ study on the effect of Cu5Zn8 intermetallic layer on the Cu-Ni cross-interaction in Cu/Sn-9Zn/Ni interconnect under temperature gradient
温度梯度下Cu5Zn8金属间化合物层对Cu/Sn-9Zn/Ni互连线中Cu-Ni交叉相互作用影响的原位研究
  • DOI：
    10.1016/j.matchemphys.2018.06.009
  • 发表时间：
    2018-09
  • 期刊：
    Materials Chemistry and Physics
  • 影响因子：
    4.6
  • 作者：
    Y. Zhong;N. Zhao;W. Dong;Y.P. Wang;H.T. Ma
  • 通讯作者：
    H.T. Ma

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AI项目解读示例

课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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