國家自然科學(xué)獎(jiǎng)推薦項(xiàng)目-DepartmentofPhysicsandMaterials

1、國家自然科學(xué)獎(jiǎng)推薦項(xiàng)目一、項(xiàng)目名稱基于綠色制造的先進(jìn)微互連技術(shù)基礎(chǔ)研究二、推薦單位意見該項(xiàng)目組在國家發(fā)展規(guī)劃綱要指引下深入開展了基于綠色制造的先進(jìn)微互連技術(shù)理論、材料與工藝的基礎(chǔ)研究，先后獲得國家科技支撐計(jì)劃課題，國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國際合作與交流項(xiàng)目、面上項(xiàng)目，中國航天科技專項(xiàng)項(xiàng)目，教育部優(yōu)秀人才等 24 項(xiàng)國家及省部級項(xiàng)目資助，歷時(shí) 16 年，形成 了先進(jìn)微互連技術(shù)相關(guān)理論體系， 成功應(yīng)用并解決了國內(nèi)重要電子制造公司微互連制造中的技術(shù)難題。該項(xiàng)目取得以下創(chuàng)新性研究成果：1）原創(chuàng)性建立了濃度梯度控制的液-固界面反應(yīng)理論模型， 揭示了電子封裝無鉛微焊點(diǎn)在多因素強(qiáng)交互耦合作用下界面反應(yīng)的本

2、質(zhì)與規(guī)律性，詮釋了經(jīng)典 “熟化理論”模型無法解釋的微米級焊點(diǎn)凸顯的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象； 2）基于團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型揭示了微合金化在電子封裝互連工藝過程中對潤濕性、界面強(qiáng)度、抗氧化性等的作用機(jī)制，建立了評價(jià)無鉛釬料合金與互連結(jié)構(gòu)關(guān)鍵力學(xué)變形和損傷行為的普適性的蠕變本構(gòu)關(guān)系理論模型和疲勞裂紋擴(kuò)展關(guān)聯(lián)方程式；3）闡明了微凸點(diǎn)界面特性、物質(zhì)遷移、交互作用對無鉛微互連整體結(jié)構(gòu)可靠性的影響規(guī)律，揭示了微小尺度無鉛焊點(diǎn)在電、熱、力等多場耦合作用下的失效模式與機(jī)理。該項(xiàng)目成果在本研究領(lǐng)域國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI 論文 148 篇， EI 論文 240篇，8 篇代表性論文 SCI 他人引用超過 700 次，單篇論文最高

3、SCI 他引 295 次。已獲授權(quán)國家發(fā)明專利 18 項(xiàng)，形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列無鉛釬料合金產(chǎn)品并已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。本項(xiàng)目成果曾獲得2014 年度中國材料研究學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng) （基礎(chǔ)研究類）。推薦該項(xiàng)目為國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。三、項(xiàng)目簡介本項(xiàng)目屬于先進(jìn)制造領(lǐng)域，是機(jī)械、材料、電子、冶金等學(xué)科的交叉。電子封裝微互連技術(shù)是先進(jìn)制造的重要組成部分，微型化發(fā)展趨勢使互連尺度持續(xù)減小從而帶來微焊點(diǎn)的尺寸效應(yīng)，同時(shí)全球環(huán)保RoHS 指令（綠色制造）的強(qiáng)制要求導(dǎo)致互連材料體系升級換代。尺寸效應(yīng)與綠色制造對微互連工藝、互連（封裝）結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為及系統(tǒng)可靠性的影響成為亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本項(xiàng)目在國家科技支撐

4、計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等資助下，系統(tǒng)深入研究并揭示了基于綠色制造的先進(jìn)微互連技術(shù)涉及的新現(xiàn)象及相關(guān)原理，形成了先進(jìn)微互連技術(shù)的相關(guān)理論體系，取得了系列原創(chuàng)性理論成果，提升了行業(yè)技術(shù)水平。主要科學(xué)發(fā)現(xiàn)：1）原創(chuàng)性建立了濃度梯度控制的液-固界面反應(yīng)理論模型， 揭示了電子封裝無鉛微焊點(diǎn)在多因素強(qiáng)交互耦合作用下界面反應(yīng)的本質(zhì)與規(guī)律性，詮釋了經(jīng)典“熟化理論”模型無法解釋的微米級焊點(diǎn)凸顯的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了微小尺度無鉛封裝制造互連工藝與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2）基于團(tuán)簇結(jié)構(gòu)模型揭示了微合金化在電子封裝互連工藝過程中對潤濕性、界面強(qiáng)度、抗氧化性等的作用機(jī)制，建立了評價(jià)無鉛釬料合金與互連結(jié)構(gòu)關(guān)鍵力學(xué)變形和

5、損傷行為的普適性的蠕變本構(gòu)關(guān)系理論模型和疲勞裂紋擴(kuò)展關(guān)聯(lián)方程式，實(shí)現(xiàn)了高性能、微互連材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3）闡明了微凸點(diǎn)界面特性、物質(zhì)遷移、交互作用對無鉛微互連整體結(jié)構(gòu)可靠性的影響規(guī)律，揭示了微小尺度無鉛焊點(diǎn)在電、熱、力等多場耦合作用下的失效模式與機(jī)理，建立了無鉛焊點(diǎn)可靠性預(yù)測方程與模型，為微小尺度無鉛互連結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。在本領(lǐng)域權(quán)威期刊Mat Sci Eng R 等發(fā)表 SCI 論文 148 篇， EI 論文 240 篇， 8 篇代表性論文 SCI 他引超過 700 次，得到國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注和正面引用。獲授權(quán)發(fā)明專利 18 項(xiàng)，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無鉛釬料產(chǎn)品已產(chǎn)業(yè)化。發(fā)表在 M

6、at Sci Eng R 2004（IF=24.652）上含微量稀土元素?zé)o鉛釬料的研究論文單篇SCI 他引 295 次，引領(lǐng)了國際上相關(guān)的基礎(chǔ)研究并豐富了研究內(nèi)涵；美國工程院院士CP Wong 教授主編的Advanced Flip Chip Packaging (先進(jìn)倒裝芯片封裝 )書中引用并肯定了該項(xiàng)目界面反應(yīng)理論模型的正確性；美國工程院院士J. Li 教授詳細(xì)引用并闡述了無鉛釬料蠕變本構(gòu)關(guān)系理論模型的創(chuàng)新性成果，評價(jià)該理論模型具有普適性；疲勞損傷模型的成果獲 Emerald 國際學(xué)術(shù)出版社頒發(fā)的2003 年度最佳學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng)。上述理論成果指導(dǎo)了電子制造微互連工藝、成分與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功解

7、決了微互連制造中尺寸效應(yīng)帶來的技術(shù)難題并在航天、軍工、通信等領(lǐng)域的關(guān)鍵工程項(xiàng)目上獲得成功應(yīng)用。四、客觀評價(jià)1. 重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)一：微互連制造工藝中界面反應(yīng)理論模型美國工程院院士、佐治亞理工學(xué)院 Wong 教授于 2013 年主編的 Advanced FlipChip Packaging (先進(jìn)倒裝芯片封裝 )中第 11 章 “倒裝芯片凸點(diǎn)中的界面反應(yīng)與電遷移”由 KN Tu 教授（ “熟化理論 ”模型建立者）撰寫，引用評價(jià)了本項(xiàng)目的觀點(diǎn)：“那么溶解對界面反應(yīng)的作用是特別重要的”，肯定了本項(xiàng)目無鉛界面反應(yīng)理論模型的正確性。美國 Electron Comp Tech Conf (ECTC,電子元器件

8、及技術(shù)會(huì)議 )是全球電子封裝技術(shù)領(lǐng)域規(guī)模最大且最頂級的國際學(xué)術(shù)會(huì)議。新加坡國立大學(xué)Zeng 教授在 2011年 ECTC 會(huì)議上關(guān)于 3D 封裝無鉛微凸點(diǎn)的論文 ECTC, 100, 2011中正面引用本項(xiàng)目界面反應(yīng)的研究成果： “這歸因于 釬焊過程中 Cu6Sn5 晶粒隨凸點(diǎn)尺寸減小而增加，這一尺寸效應(yīng)現(xiàn)象已被黃報(bào)道 ”。英國 BSI 委員會(huì)主席、 IEC 與 IPC 委員會(huì)委員、英國國家物理實(shí)驗(yàn)室 Hunt 主任在關(guān)于研發(fā)一種評價(jià)釬焊參數(shù)新方法的論文 SolderSurf MT2009, 24 中引用了本項(xiàng)目界面反應(yīng)理論觀點(diǎn)作為其分析的依據(jù)：“金屬間化合物對 Cu 的溶解起主要作用， Cu

9、6Sn5 晶粒粗化則晶界數(shù)目減少， 從而減少了 Cu 原子的擴(kuò)散通道 黃”。液-固界面反應(yīng)理論模型工程應(yīng)用成功案例：1)解決了某軍工項(xiàng)目單晶硅與XX鋼高強(qiáng)度界面連接的關(guān)鍵技術(shù)難題，為軍工項(xiàng)目的完成做出重要貢獻(xiàn)；2)科學(xué)指導(dǎo)了中國航天宇航空間站、 貨運(yùn)飛船使用的關(guān)鍵核心器件600 萬門級倒裝芯片陶封器件的芯片互連凸點(diǎn)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與焊接工藝研發(fā)，為航天國防任務(wù)的順利進(jìn)行提供了重要支持。2. 重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)二：綠色無鉛合金成分設(shè)計(jì)、力學(xué)變形與損傷機(jī)理模型發(fā)表在 Mat Sci Eng R 2004, 1, IF=24.652上關(guān)于含稀土元素?zé)o鉛釬料性能的綜述性論文 SCI 他引達(dá) 295 次，正面

10、引用來自美國密歇根州立大學(xué)、英國諾丁漢大學(xué)、芬蘭赫爾辛基大學(xué)等國外多家知名研究機(jī)構(gòu)，充分體現(xiàn)出在國際學(xué)術(shù)界的影響力。日本大阪大學(xué)Matsumoto 教授在關(guān)于電子封裝釬焊潤濕性的綜述性論文Annu RevMater Res 2008, 251, IF=11.854中肯定了本項(xiàng)目添加稀土元素明顯改善Sn-9Zn 釬料在 Cu 等基板上潤濕性的工作，并認(rèn)可“釬料與釬劑界面吸附RE 元素可以降低界面能，從而改善潤濕性 ”的觀點(diǎn)；印度卡納塔克邦國家技術(shù)研究所Prabhu 教授在 AdvColloid Inter Sci 2007, 61, IF=7.776 中對我們論文中稀土元素對無鉛釬料潤濕性的提高

11、作用進(jìn)行正面引用。美國工程院院士 James Li 教授 2007 年發(fā)表在 J Mater Sci: Mater Electron 2007,191的綜述性論文中詳細(xì)介紹并正面引用了本項(xiàng)目Sn 基無鉛釬料蠕變變形機(jī)理模型，認(rèn)為蠕變本構(gòu)關(guān)系理論模型是焊點(diǎn)可靠性評價(jià)和壽命預(yù)測的重要理論基礎(chǔ)。美國海軍研究院 Dutta 教授連續(xù)在 Mater Sci Eng A2004, 401 、J Electron Mater 2008,347和JOM 2009, 29中大篇幅引用本項(xiàng)目關(guān)于Sn-Ag 無鉛共晶合金蠕變變形機(jī)理中位錯(cuò)、背應(yīng)力與激活能的數(shù)據(jù)與結(jié)論。2013 年瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Cugnoni

12、教授在Acta Mater2013, 103,IF=4.465 論文中引用了我們建立的彌散強(qiáng)化型無鉛釬料蠕變變形機(jī)理模型作為其分析的主要依據(jù)。 美國圣地亞國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 SMT 主席 Vianco教授在 J Electron Mater 2004, 1389 中對我們提出的門檻應(yīng)力的概念和蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行了正面引用和分析。 疲勞裂紋擴(kuò)展理論模型于2003 年獲得國際學(xué)術(shù)出版社Emerald頒發(fā)的年度最佳學(xué)術(shù)論文獎(jiǎng)。美國伊利諾斯大學(xué)的Shang教授連續(xù)在 J Electron Mater2005, 62和J Mater Sci: Mater Electron2007, 211中多次引用，并在 J M

13、ater Sci: MaterElectron 2007, 211關(guān)于 Sn 基釬料疲勞性能的綜述性論文中大篇幅引用了疲勞模型。僅蠕變變形機(jī)理與疲勞損傷機(jī)理的論文SCI 他引達(dá) 225 次。3. 重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)三：無鉛微互連可靠性美國 Amkor 公司是全球半導(dǎo)體封裝與測試領(lǐng)先者， 高級產(chǎn)品開發(fā)部總監(jiān) Syed連續(xù)正面引用了本項(xiàng)目的工作。2010年他在新加坡 Electron Pack Tech Conf (EPTC)國際會(huì)議上關(guān)于倒裝芯片和 3D IC芯片互連中影響電遷移因素的論文EPTC 2010, 538中正面引用申請人的研究結(jié)果：“這種情況下將電阻增加作為失效判據(jù)可能會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

14、而這種失效判據(jù)對微凸點(diǎn)( -bump)的影響更大，這已得到內(nèi)部測試證實(shí)，并且已被黃報(bào)道 ”；2011年他在美國 ECTC 國際會(huì)議上關(guān)于 Cu柱和微凸點(diǎn)可靠性的論文ECTC 2011, 332中正面引用了本項(xiàng)目的研究工作：“電阻初始變化歸因于凸點(diǎn)釬料合金轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑娼饘匍g化合物，而不應(yīng)歸因于電遷移損傷，已在 Cu-Solder-Cu微凸點(diǎn)研究中已觀察到相同的現(xiàn)象黃”。美國 IBM 公司 Watson研究中心 Wright 研究員發(fā)表在美國 ECTC國際會(huì)議關(guān)于微凸點(diǎn)電遷移可靠性的論文ECTC2012, 590和ECTC2012, 1278中正面引用本項(xiàng)目工作： “微凸點(diǎn)的失效模式從根本上不同于標(biāo)

15、準(zhǔn)的C4凸點(diǎn)，特別是當(dāng)微凸點(diǎn)合金全部或幾乎全部與互連基體反應(yīng)生成金屬間化合物”， “芯片側(cè)界面經(jīng)過兩次回流，而底部界面經(jīng)歷一次回流，在經(jīng)歷較高溫度和較長時(shí)間反應(yīng)后，整個(gè)凸點(diǎn)將轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘匍g化合物”。無鉛微互連可靠性研究成果工程應(yīng)用成功案例：指導(dǎo)了華為公司在高密度無鉛產(chǎn)品無鉛合金選用、 PCB表面處理設(shè)計(jì)、 電遷移設(shè)計(jì)方面的技術(shù)決策， 已在華為 ONT產(chǎn)品上得到應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)（年產(chǎn)值過億元）。本領(lǐng)域頂級的國際學(xué)術(shù)會(huì)議論文獎(jiǎng)：2005 年新加坡 EPTC 電子封裝國際會(huì)議上題目為 “ 50m倒裝芯片無鉛釬料凸點(diǎn)失效機(jī)理分析”的大會(huì)報(bào)告榮獲唯一 “最優(yōu)秀論文獎(jiǎng) ”。 2012 年美國 ECTC 國際會(huì)

16、議上題目為 “無鉛微凸點(diǎn)電遷移過程中的交互作用機(jī)制 ”的大會(huì)口頭報(bào)告獲得 “演講者突出貢獻(xiàn)獎(jiǎng) ”。五、代表性論文專著目錄論文專著序名稱/刊名號/ 作者Properties of lead-free solder alloys with rare1 earth element additions / Materials Science & Engineering R-Reports / Wu C M L, Yu D Q, Law C M T, Wang LRole of Cu in dissolution kinetics of Cu2 metallization in molten S

17、n-based solders / Applied Physics Letters / Huang M L, Loeher T, Ostmann A, Reichl HCreep behavior of eutectic Sn-Ag lead-free3 solder alloy / Journal of Materials Research / Huang M L, Wang L, Wu C M LImprovement on the microstructure stability, mechanical and wetting properties of4 Sn-Ag-Cu lead-f

18、ree solder with the addition of rare earth elements / Journal of Alloys and Compounds / Yu D Q, Zhao J, Wang L影響因子24.6523.1421.5793.014年卷頁碼SCI知識(shí)產(chǎn)發(fā)表時(shí)（xx 年 xx 卷通訊第一國內(nèi)作他引總權(quán)是否間年月他引作者作者者次數(shù)歸國內(nèi)xx 頁）日次數(shù)所有胡志文，2004 年 44卷2004年胡志胡志于大全，是1-44 頁4 月文文295羅志文，王來2005 年 86卷2005年黃明黃明黃明亮34是1819085 月亮亮黃明亮，2002 年 17 卷2002

19、年胡志黃明是2897-2903 頁11 月文王來，胡47亮志文2004 年376 卷2004 年于大全，于大是170-175頁王來趙杰，王 1158 月全來567Improvement of wettability and tensile property in Sn-Ag-RE lead-free solder alloy / Materials Letters / Wang L, Yu DQ, Zhao J, Huang MLMicrostructural evolution of Sn-9Zn-3Bi solder/Cu joint during long-term aging at 1

20、70 degrees C / Journal of Alloys and Compounds/ Duan L L, Yu D Q, Han S Q, Ma H T, WangLThe properties of Sn-9Zn lead-free solder alloys doped with trace rare earth elements / Journal of Electronic Materials / Wu C M L, Yu D Q, Law C M T, Wang L2002 年 56 卷2002 年王來2.437頁趙杰1039-104211 月2004 年 381 卷200

21、4 年段 莉3.01411 月王來202-207 頁蕾2002 年 31 卷2002 年胡 志胡 志1.4919 月文文921-927 頁王來，于大全，趙杰，黃明亮段莉蕾，于大全，韓雙起，馬海濤，胡志文，于大全，羅志文 ，王來453866是是是8The wettability and microstructure of Sn-Zn-RE alloys / Journal of Electronic Materials / Wu C M L, Law C M T, Yu D Q, Wang L胡志文，2003 年32 卷2003 年胡 志胡 志羅志文 ，1.4912 月6363-69 頁文文于大

22、全，王來合 計(jì)703是六、主要完成人情況表曾獲國家姓 名技術(shù)職稱黃明亮教授胡志文教授趙杰教授馬海濤教授王來教授工作單位大連理工大學(xué)香港城市大學(xué)大連理工大學(xué)大連理工大學(xué)大連理工大學(xué)完成單位對本項(xiàng)目技術(shù)創(chuàng)造性貢獻(xiàn)原創(chuàng)性建立了濃度梯度控制的界面反應(yīng)理論模型，闡明了經(jīng)典“熟化理論 ”模型無法解釋的尺寸效應(yīng)現(xiàn)象；提出并建立了由基體 Sn 的位錯(cuò)管道擴(kuò)散機(jī)制控制的無鉛釬料合金蠕變本構(gòu)關(guān)系理論大連理工大學(xué)模型；揭示了微小尺度無鉛焊點(diǎn)在電、熱、力等多場耦合作用下的可靠性物理，建立了基于無鉛焊點(diǎn)失效機(jī)理的可靠性預(yù)測方程與模型。在力學(xué)行為與損傷、無鉛釬料合金成分設(shè)計(jì)和界面反應(yīng)理論方面香港城市大學(xué)取得突出研究成果，

23、 建立了 Sn 基無鉛釬料的蠕變模型， 揭示了添加微量稀土元素可以獲得組織及性能更為優(yōu)良的釬料合金。在無鉛釬料合金疲勞性能與理論、無鉛焊點(diǎn)連接的可靠性物理等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，揭示了無鉛釬料的疲勞裂紋擴(kuò)展性能普遍大連理工大學(xué)優(yōu)于傳統(tǒng)錫鉛釬料，表征了疲勞裂紋擴(kuò)展模型，闡明微小無鉛焊點(diǎn)在電、熱、力等作用下的失效模式與失效機(jī)理。對無鉛焊點(diǎn)的熱穩(wěn)定性和剪切性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，闡明了無鉛焊點(diǎn)在熱、力作用下的失效模式，發(fā)現(xiàn)了第三組元元素可有效抑大連理工大學(xué)制界面金屬間化合物的生長，提高了時(shí)效過程中無鉛焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度。闡明了微小尺度無鉛焊點(diǎn)的失效模式與失效機(jī)理。提出 Sn 基無鉛釬料合金蠕變本構(gòu)關(guān)系的理論模型

24、，揭示了稀土元大連理工大學(xué)素對提高無鉛釬料潤濕性能、細(xì)化釬料基體金屬間化合物晶粒尺科技獎(jiǎng)勵(lì) 排名情況無1無2無3無4無5寸及抑制界面金屬間化合物生長的作用機(jī)制。發(fā)展和完善了無鉛界面反應(yīng)理論。七、完成人合作關(guān)系說明黃明亮、胡志文、趙杰、馬海濤、王來 5 人共同獲得 2014 年度中國材料研究學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。黃明亮、趙杰、馬海濤、王來共同承擔(dān)完成了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目無鉛化電子封裝釬焊界面反應(yīng)及焊點(diǎn)可靠性的基礎(chǔ)研究 （項(xiàng)目編號 U0734006），起止時(shí)間： 2008-2011 年。黃明亮、王來、胡志文共同發(fā)表代表性論文Creep behavior of eutectic Sn-Aglead-free solder alloy / Journal of Materials Research / 2002年， 17 卷， 2897-2903 頁。胡志文、王來共同發(fā)表代表性論文 Properties of lead-free solder alloys wi