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微电子封装中，焊料与焊盘基体的焊点连接是保证微电子器件可靠工作的重要环节。近年来，世界范围内对微电子封装中无Pb焊料的要求日益高涨，同时，JEDEC标准也要求对微电子产品进行高温考核实验，使得无铅焊料与基体的界面反应对焊点可靠性的影响尤显重要。由于无铅焊料涉及新的合金组元成分，不同的无铅焊料与基体的反应动力学不同，并且焊料的合金成分也会对界面的力学性能产生影响。
美国伊利诺大学香槟分校(UIUC)Shang等人发现，共晶SnBi/Cu界面经120℃7天时效后，其抗疲劳性能明显下降，并且其断口呈脆性断裂，他们认为是Bi元素在焊点界面偏析的结果。本论文在Shang等人的研究工作基础上，对共晶SnBi合金与基体Cu的界面反应进行了系统的研究，以理解无Pb焊料中Bi对焊点界面的影响。实验中采用了微力测试系统、纳米压痕仪、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、电子探针(EMPA)等技术对时效前后的共晶SnBi/Cu界面力学性能及界面处的反应产物的力学性能、微观形貌、成分及其生成动力学进行了分析表征。整个研究工作的主要结果包括：
一共晶SnBi/Cu焊点时效前后力学性能及时效状态界面处各相的微观力学性能的表征。
1.共晶SnBi/Cu经110℃时效后，其断裂韧性明显下降，其断口也由原始态的韧性断裂转变为脆性断裂；
2.用纳米压痕仪测试了时效态焊点界面处Cu6Sn5、Cu3Sn、Sn、Bi、Cu各相的硬度和弹性模量；
3.用微压痕法测定了不同焊料共晶SnPb、SnBi、SnAgCu的蠕变速率敏感指数，发现室温下无铅焊料的抗蠕变性能较共晶SnPb的好，并且共晶SnAgCu用这种方法获得的蠕变速率敏感指数m值与用宏观单轴拉伸法获得的m值相同，说明这种方法具有可行性和实用性。
二共晶SnBi/Cu焊点界面经120℃7天时效后，发现纳米Bi单质颗粒偏聚在反应产物Cu3Sn与基体Cu的界面处。
1.共晶SnBi/Cu焊点经120℃7天时效后，在SEM下发现在生成的金属间化合物Cu3Sn与基体Cu的界面处偏聚了直径约为100纳米左右的Bi单质颗粒。通过在TEM下与纯Sn/Cu界面220℃5天时效后的样品比较，发现共晶SnBi/Cu焊点由于Bi单质颗粒析出的存在，Cu3Sn与基体Cu的界面已经开裂，而纯Sn/Cu中的界面连接紧密，可以认为由于Bi单质颗粒的偏析使共晶SnBi/Cu焊点弱化，从而在此界面产生脆性断裂。
2.确定了共晶SnBi/Cu焊点韧脆断裂转变的动力学。实验发现，在100-180℃的温度范围内，共晶SnBi/Cu焊点随时效温度的提高，焊点出现脆性断裂的时间提前。
三提出了Bi在界面偏析的机制。Bi在界面金属间化合物中的固溶使其晶格产生畸变，此时Cu3Sn与基体Cu的界面由于存在较多的缺陷，Bi原子会在“降低系统能量”的驱动下向此界面移动。这样Bi原子源源不断通过界面金属间化合物向Cu3Sn与基体Cu的界面偏析，最终达到一定的量足以破坏界面，使焊点出现脆性断裂。四Bi颗粒的出现使界面化合物生长速度加快。
Bi在共晶SnBi/Cu中界面化合物与Cu的界面偏析前，界面处的金属间化合物平均厚度与时效时间t1/2成正比，此阶段界面化合物生长表观扩散激活能为160.8kJ/mol。Bi在共晶SnBi/Cu偏析后，界面处的金属间化合物生长会脱离原来的平均厚度与时间t1/2成正比的生长规律，而呈现加速的趋势，使平均厚度-时间t1/2动力学曲线出现弯折，这时界面化合物生长表观扩散激活能为40.5kJ/mol。同时，SnBi7/Cu焊点中的界面化合物生长表观扩散激活能低于纯Sn/Cu焊点中的界面化合物生长表观扩散激活能。
五SnBi10Cu0.7/Cu的力学性能焊料中Bi的含量影响形成的金属间化合物Cu6Sn5中Bi的固溶量。通过降低焊料中Bi的含量，来减少化合物中Bi的固溶量，进而减小Bi原子向界面偏聚的驱动力。使界面上Bi的偏析减少或没有。SnBi10Cu0.7/Cu经180℃17天时效后，没有发现Bi在Cu3Sn和Cu的界面处偏析，抑制了焊点沿此界面脆性断裂的产生。