在3D微电子封装过程中，铜柱凸点和硅通孔互连(TSV)是两项关键的技术，本文旨在研究这两项技术在电场、热场、热循环和电热耦合场下的寿命以及界面可靠性。　　设计了正交电迁移实验组，测得了铜柱凸点的寿命数据，并基于Black方程给出了寿命预测方程的相关参数，其中电迁移激活能和电流密度指数分别为0.88eV和1.64。通过观察界面化合物随电流作用的演变，发现在铜柱凸点失效前焊料Sn全部转化为了金属间化合物，形成了Cu/Cu3 Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu化合物互连结构。统计分析发现铜柱凸点的电迁移失效模式可以分为三类:阴极侧Cu/Cu3Sn界面开裂失效;阳极侧Cu/Cu3Sn界面开裂失效和金属间化合物脆性断裂失效。三种失效模式所占比例分别为55％、24％和21％。计算了各界面和各相内的原子扩散和电迁移通量，揭示了孔洞形成机理和化合物演变原理。结合有限元分析电流密度和应力分布，阐释了铜柱凸点的三种电迁移失效模式。　　研究了铜柱凸点在-40到125℃热循环下的寿命和失效方式。研究发现热循环后铜柱凸点互连界面化合物由回流态的扇贝状转变为层状，其厚度随热循环时间增加而增加。统计分析发现铜柱凸点热循环有两种失效模式:焊料中间开裂和芯片侧与铜柱凸点相连处的铜线断裂。通过EBSD分析焊料的晶粒组织和有限元分析相应的应力状态，发现焊料中间开裂失效多发生在双层Sn晶粒的铜柱凸点中，而铜布线断裂失效多发生在单层Sn焊料的铜柱凸点中。　　研究了铜柱凸点在电流和热循环耦合加载下的多场寿命和可靠性。根据累积损伤原则，将电迁移、热循环和二者的耦合引起的损伤考虑进去，建立了多场下的寿命预测模型，并使用多场实验寿命数据给出了寿命预测模型的具体形式。电流密度比热循环温度对铜柱凸点多场寿命的影响更大。其化合物生长具有极性效应，并且在阴极上生成电迁移孔洞，具有电迁移特征;同时在化合物和焊料中形成裂纹，表现出热循环的特征。电迁移和热循环耦合作用，形成了铜柱凸点在多场下的三种失效模式:电迁移形成的界面孔洞和热循环耦合作用造成的微裂纹共同作用造成阴极Cu6Sn5/Sn界面的开裂失效;电迁移引起阳极Cu/Cu3Sn界面形成大量柯肯达尔孔洞与热循环引起的微裂纹共同作用导致界面开裂失效;热循环下焊料疲劳导致其中间开裂失效。　　研究了TSV结构在400℃热时效下的可靠性。发现热时效后，Cu挤出表面，挤出高度随热时效时间增加而增加，并在一定时间后达到稳定。挤出高度也与热时效加热速率有关:加热速率越大，挤出高度越大。热时效后TSV表面晶界显现清晰，表面晶界上和结构内部出现孔洞。研究还发现Cu晶粒为柱状晶时，表面孔洞和裂纹较多且集中分布在TSV中心，Cu晶粒为等轴晶时，孔洞和裂纹较少，且均匀分布。我们认为其挤出机制为界面滑移和晶界滑移共同作用。利用ANSYS软件用户可编程特性，建立了将界面滑移和晶界滑移统一的材料模型，模拟了TSV结构的热时效过程中界面和内部的应力状态和挤出形貌，模拟结果与实验结果高度吻合。　　研究了TSV在-40-125℃热循环下的可靠性。研究发现热循环后Cu倾入表面。倾入深度随热循环周次增加而增加，在210周次后达到稳定。界面处倾入深度大于中间部分，倾入机制为界面滑移。使用有限元对TSV在热循环过程中的应力状态进行了分析。　　研究了复合填充Cu-ZrW2O8 TSV的工艺和性能。通过调控电镀中电流密度大小成功制备了ZrW2O8粉末含量为3.7％-30.7％的Cu-ZrW2O8 TSV样品。复合电镀粉末含量随电流密度增大而增加。研究复合填充TSV的热时效可靠性，发现TSV只有界面部分发生了挤出，挤出高度随粉末含量增加而降低。粉末的添加抑制了晶界滑移，使得挤出高度降低。