随着微电子产品向微型化和多功能化趋势的发展,焊点尺寸变得越来越小,其可靠性对电子产品性能的实现变得越来越重要。焊点界面的金属间化合物（IMC）的形成是互连可靠性的关键,但由于其易碎的特性以及与焊料和基板热膨胀系数的差异,使得过多IMC的生成将会造成焊点力学性能的降低以及疲劳失效。另外,随着焊点尺寸的减小,IMC在整个焊点所占的体积比例也在增加,这在一定程度上也增加了焊点界面失效的可能性。因此研究微焊点界面IMC生长机理,成为当前提高微电子产品可靠性研究的关键科学问题之一。论文系统地研究了回流焊和时效过程中TiO₂纳米掺杂形成的复合焊料对微小焊点界面反应的影响机理,探索了焊点尺寸对无铅复合焊料Sn-3.0Ag-0.5Cu-xTiO₂界面反应、界面微观结构演变、IMC生长动力学以及IMC生长机理的影响,为提高微焊点的可靠性提供提供理论和实验基础。其研究的主要结果如下:研究TiO₂纳米颗粒掺杂对微小焊点在回流焊过程中界面液-固反应影响的结果表明,伴随着TiO₂纳米颗粒的掺杂,界面IMC层的厚度和晶粒的尺寸都有所减小,当掺杂量增加到0.1wt.%时,IMC生长速率达到最小,抑制界面IMC层生长和细化IMC晶粒效果最明显。IMC晶粒形貌可能与IMC/焊料界面处的Cu含量有密切关系,当其偏离Sn-Ag-Cu共晶组分中Cu的含量时,熔融焊料于晶粒之间的界面能呈各向异性,晶粒呈小面状,当接近共晶组分时,熔融焊料于晶粒之间的界面能更趋向于呈各向同性,使晶粒形貌更加趋向扇贝状。通过对回流焊过程中界面IMC层厚度生长指数和IMC晶粒生长指数的研究发现,界面IMC层的生长是一种混合生长机制,包括界面反应阶段以及元素经IMC晶界和IMC晶粒扩散的扩散控制生长阶段,并且IMC晶粒的粗化生长受元素扩散和界面反应共同影响。结果表明,回流焊过程中TiO₂纳米颗粒对微焊点IMC生长机理的影响符合表面吸附理论和异相成核机制。研究TiO₂纳米颗粒掺杂对微小焊点在100℃、120℃和150℃时效条件下界面固-固反应影响的结果表明,TiO₂纳米颗粒的掺杂可以有效减小界面IMC层生长速率,当掺杂量为0.1wt.%时,生长速率达到最小值,这主要是因为微量纳米TiO₂颗粒的掺杂可以提高界面IMC形成所需的活化能,降低原子的扩散速率,从而抑制IMC层的过快生长。观察微小焊点的微观结构演变可知,时效过程中掺杂纳米TiO₂颗粒抑制界面IMC层的生长机理可能是晶界钉扎机制,Cu₆Sn₅晶粒晶界处钉扎的小粒子可以有效的阻碍Cu原子和Sn原子沿晶界扩散,从而抑制界面IMC层的生长。研究回流过程中焊点尺寸对Sn-3.0Ag-0.5Cu-xTiO₂焊点界面液-固反应影响的结果表明,焊点尺寸的减小导致界面IMC层厚度变薄和晶粒尺寸减小。大焊点焊料与IMC层界面处的Cu原子浓度上升较快,导致界面IMC在浓度相对较高的Cu原子环境中持续较长时间,从而使大焊点界面IMC的厚度和IMC晶粒尺寸在相同回流条件下更厚更大。结果显示,大焊点中Cu₆Sn₅相顶部局部Cu原子浓度较高是大焊点中细长形貌Cu₆Sn₅晶粒较早地出现的主要原因。有限元分析结果表明,熔融焊料中Cu原子浓度的分布与EDX能谱测得的界面处Cu原子的浓度分布基本一致,从理论上说明了回流焊过程中焊点界面IMC的生长与反应界面附近的Cu原子浓度密切相关。研究恒温时效过程中焊点尺寸对Sn-3.0Ag-0.5Cu-xTiO₂焊点界面固-固反应影响的结果表明,在同样的时效条件下,界面IMC层的厚度随着焊点尺寸的增加而增加,随着焊点尺寸的减小,界面IMC层的生长速率减小,界面IMC层生长的活化能增加。时效过程中,不同尺寸焊点界面的应力不同使得反应界面处Cu原子的浓度不同是造成焊点尺寸效应的主要原因。研究表明,热应力对界面IMC的生长有一定的促进作用,热应力可以在焊料和界面IMC层中形成缺陷,而这些缺陷又可以促使元素的快速扩散,进而影响界面处Cu原子的浓度。有限元分析结果表明,随着温度的升高,所有焊点内部的等效应力都有所增加,并且,焊点的应力随着焊点尺寸的减小而减小。大焊点较高的热应力导致在高温老化过程中加速了Cu原子从Cu焊盘扩散到IMC界面处,使得界面IMC层处始终处于较高的Cu原子浓度,加速了IMC生长,可能是大焊点IMC较快生长的主要机理。