微电子产品的无铅化、小型化的趋势使得互连界面的脆性金属间化合物（IMC）趋向于占据更大的焊点体积份额，甚至使得互连焊点界面只包含几个IMC晶粒，成为影响微电子产品可靠性的关键科学问题。针对微电子封装可靠性的关键性问题，论文系统地研究了回流焊和时效过程中掺杂TiO₂纳米颗粒对IMC生长、互连界面微观结构和力学性能的影响机理，探索了有效抑制IMC生长和改善互连可靠性的掺杂方案，研究了无铅纳米复合焊料与焊盘金属基体（Cu基板）间界面反应动力学、焊点界面微观结构在时效过程中的演变对焊点可靠性的影响机理和应变速率及温度对复合焊料合金力学性能的影响，优化了无铅纳米复合焊料，为增强无铅焊接的可靠性提供设计、工艺和材料等方面的参考数据。其研究的主要结果如下：研究TiO₂纳米颗粒掺杂对Sn-3.0Ag-0.5Cu-xTiO₂（x=0,0.02,0.05,0.1,0.3和0.6wt.%）复合焊料的熔点、润湿性及显微组织影响的结果表明，掺杂TiO₂纳米颗粒对复合焊料熔点影响不大，但其与Cu基板的润湿性稍有提高。当TiO₂纳米颗粒的含量为0.1wt.%时，复合焊料与Cu基板的润湿性最好，其表面接触角最小值为8.4o，铺展面积最大值为155.24mm²。电子扫描显微镜照片显示掺杂明显地细化了焊料基体的显微组织，其可能的机理为TiO₂纳米颗粒的表面吸附效应降低了复合焊料基体组织中Ag₃Sn晶粒的表面能，抑制了Ag₃Sn晶粒的生长和异常长大，从而细化了复合焊料的显微组织。研究TiO₂纳米颗粒掺杂对焊点在回流焊过程中界面液-固反应影响的结果表明，一部分TiO₂纳米颗粒会溶解在富Sn相中，一部分TiO₂纳米颗粒会沉降在Ag₃Sn相表面，还有一部分TiO₂纳米颗粒会沉降在Cu₆Sn₅相表面。掺杂TiO₂纳米颗粒后焊点界面IMC层厚度和IMC晶粒尺寸均减少。研究IMC生长指数结果表明，界面润湿反应的IMC生长是一种混合生长机制，IMC生长过程可分为三个阶段：包括扩散反应阶段、元素经晶粒间扩散的IMC扩散控制生长阶段和元素经IMC层扩散的IMC控制生长阶段。对IMC晶粒生长指数的研究结果表明，IMC晶粒生长是由原子互扩散和晶粒成熟共同控制。当TiO₂纳米颗粒含量为0.1wt.%时，IMC生长速率有最小值，抑制界面IMC层生长和细化IMC晶粒效果最显著。为了更好地理解界面反应和IMC生长机理，基于固体扩散理论建立了双相位滞后扩散模型和波动模型，模拟了回流焊过程中IMC层生长动力学；建立了Cu原子扩散通量驱动晶粒成熟生长模型，分析了回流焊过程中IMC晶粒生长机理。结果表明，回流焊过程中TiO₂纳米颗粒影响IMC生长机理符合异相成核和奥斯瓦尔德晶粒成熟机制。研究TiO₂纳米颗粒掺杂对焊点在120℃，150℃和190℃时效条件下界面固-固反应影响的结果表明，掺杂TiO₂纳米颗粒后焊点界面IMC层厚度减小，当TiO₂纳米颗粒含量为0.05-0.1wt.%时，IMC层厚度下降最显著。将Cu₆Sn₅和Cu₃Sn相看成一个整体时，界面IMC生长受扩散定律控制。将Cu₆Sn₅和Cu₃Sn相分别看成一个独立实体时，在190℃高温时效条件下，IMC层的生长主要是由扩散机制控制，而在120℃低温时效条件下，IMC层的生长是由扩散和界面反应共同控制。掺杂TiO₂纳米颗粒可以提高Cu₆Sn₅和Cu₃Sn相IMC层的活化能，减少原子的互扩散速率，从而抑制界面IMC层生长。比较Cu₆Sn₅和Cu₃Sn相IMC层的活化能可知，Cu₃Sn相IMC层有更高的活化能。观察焊点的微观结构演变可知，时效过程中掺杂TiO₂纳米颗粒抑制IMC生长机理可能为晶界钉扎机制。研究TiO₂纳米颗粒掺杂对Sn-3.0Ag-0.5Cu-xTiO₂复合焊料合金及焊点力学性能影响的结果表明，掺杂TiO₂纳米颗粒后复合焊料合金的显微硬度提高19%-37%。这种明显的强化效果是由于掺杂TiO₂纳米颗粒后减小了Ag₃Sn晶粒的平均尺寸和间距。复合焊料合金的极限拉伸强度（UTS）随着应变速率对数的增加而线性增大，随着温度的升高而线性减小。这是由于应变速率增加后位错增多，导致位错密度增加，位错间相互作用增强，从而提高复合焊料合金的抗形变能力。复合焊料焊点的拉伸强度随着时效时间的增加而减小。随着时效时间的增加，界面IMC层的生长导致焊点断裂模式发生变化，由最初的在焊料内部的韧性断裂变为既有韧性断裂又有脆性断裂的混合断裂模式，到最后沿着界面IMC的脆性断裂。研究结果还表明，含TiO₂纳米颗粒的复合焊料合金和焊点的拉伸强度比不含TiO₂纳米颗粒的焊料大，其机理可能为固溶强化和颗粒硬化机制。