微电子产品不断向小型化、便携化和高性能方向发展,导致互联焊点尺寸持续减小,其承载的力、电和热负荷不断增加,对焊点的可靠性提出了更高的要求。微电子封装焊点的尺寸是介于微观与宏观之间的介观尺度范围。介观尺度下依靠传统的力学、电学、热学和金属学等方法获得的性能参数均表现出试样尺寸依赖性,即这些本应为常数的参数却随试样尺寸变化而变化,这给工程设计和可靠性预测带来了不利的影响。研究焊点可靠性,几何尺度效应是一个不可忽略的重要问题。有关微焊点在力学方面的尺寸效应已经有了大量的研究,而对微观组织,特别是界面元素的扩散与界面化合物(IMC)生成与演变的尺寸效应问题的研究较少。本研究的主要目的是揭示介观尺度下微焊点在回流、时效过程中依赖尺寸的固-液、固-固界面的扩散规律,阐明焊点依赖尺寸的主要参量的变化特征并进行数学表征。以Cu/solder/Cu三明治结构的钎料层厚度为10~50μm的焊点为主要研究载体,以200~500μm焊球直径的BGA结构的焊点作对比,分析在不同的组成及工艺条件下,钎缝的几何尺寸与反应生成的界面IMC层的厚度、主控元素在扩散区的浓度分布之间的内在关系,建立引入尺寸因子的IMC层厚度和生长速度的数学模型,阐明界面IMC生长演变及结构转变的机制。研究Cu/SAC305/Cu三明治结构焊后界面固-液扩散行为,获得了界面结构、IMC的生长速率与钎料层厚度之间的关系。结果表明:一次回流焊后不同钎料层厚度的Cu/SAC305/Cu扩散偶界面结构均为Cu/Cu6Sn5/solder/Cu6Sn5/Cu。钎料层厚度越大,生成的界面IMC晶粒尺寸越小、层厚度越薄。多次回流焊后,大尺寸扩散偶钎料层中Cu元素浓度提升较低,对于界面IMC生长的促进效果也相对较弱。通过对比Cu/Sn/Cu、Cu/Sn-0.5Cu/Cu、Cu/SAC305/Cu三种扩散偶在回流焊及时效的条件下的界面结构、IMC的生长以及Cu层的消耗,研究了在几十微米的介观尺度下,钎料中合金元素对界面扩散的影响,结果表明:钎料中加入0.5%Cu元素能够促进扩散偶界面IMC层的生长,其影响效果随钎料层厚度的减小呈现先升高后降低的趋势;钎料中加入3.0%Ag元素可抑制界面IMC的生长,同时显著降低Cu3Sn在IMC层中的比例,钎料层厚度越小,Cu3Sn在IMC层中的比例越小。研究在Cu焊盘表面Ni阻挡层在回流焊及时效后的作用与尺寸相关性。分析由200~500μm焊球直径的BGA结构的Cu/SAC305和Cu/Ni/SAC305单侧界面的焊点,发现无论焊球尺寸大小,Ni阻挡层的存在,均降低了IMC层的厚度。回流焊后及160o C时效不同的时间,均表现出焊球的直径越小,界面IMC的厚度越大,这与三明治结构的钎料层厚度为10~50μm的焊点的规律一致。Cu/Ni/SAC305/Cu扩散偶的Ni层与钎料界面前沿存在着Cu浓度升高的现象,而Cu/Ni/SAC305/Ni/Cu扩散偶中未出现。由于Ni、Cu是无限固溶体,可以相互置换,Ni盘前沿Ni原子的溶入改变了钎料中Cu的溶解度极限导致更多的含Cu化合物的形成。研究Cu/Sn/Cu三明治扩散偶固-固扩散行为,10~50μm钎料层厚度的扩散偶在160o C进行不同时间的时效处理。结果表明,界面IMC的生长规律不符合传统的抛物线规律,受钎料层尺寸的影响。通过对大量实验数据的拟合,获得影响IMC生长的尺寸因子,修正了传统的扩散动力学方程,建立了基于介观尺度的Cu/Sn/Cu扩散偶的界面化合物生长动力学模型。通过分析不同钎料层厚度的扩散偶界面IMC在时效过程中的变化,揭示了介观尺度下Cu/Sn/Cu扩散偶界面扩散的主控元素的转变规律,在扩散进程中存在由Cu到Sn的转变,该转变由Cu、Sn相对浓度的变化控制。