随着电子产品轻小型化的快速发展,行业对于芯片封装集成度的要求越来越高,采用凸点键合的倒装芯片和3D叠层封装已经成为业界主流的封装形式。铜柱凸点作为一种新型的互连结构,其兼具优异的导电和导热性能,适用于超细间距互连。然而,在封装尺寸不断减小的趋势下,加载在单个铜柱凸点上的热、电以及机械载荷不断加剧,如何有效抑制互连界面金属间化合物的生长,提高其在三维封装互连结构中的可靠性是目前业界关注的热点。本文采用多层电镀方法,制备出三种不同直径以及不同焊料层厚度的Cu/Sn/Ni铜柱凸点三明治结构,研究凸点尺寸以及焊料帽厚度对铜柱凸点可靠性的影响。全文的主要结论如下:铜柱凸点尺寸对界面金属间化合物的生长影响显著。在Cu/5μm Sn/Ni体系中,相比于Ф100的铜柱凸点,Ф20的铜柱凸点中在时效过程中焊料消耗速率较快,Sn层转变至全IMC的时间更短。此外Ф20的铜柱凸点中Cu₃Sn生长的反应常数较大且较厚。伴随着Cu₃Sn厚度的增加,Ф20和Ф100凸点结构中Cu₃Sn与Cu界面处均出现了Kirkendall空洞,并且Ф20凸点结构中的空洞面积更大。随着时效时长两种凸点结构中的空洞并未长大而是消失。在Cu/10μm Sn/Ni体系中,Ф20μm凸点中Cu侧的（Cu,Ni）₆Sn₅晶粒较大,Ni侧的（Cu,Ni）₆Sn₅呈细针状且相对较粗。而在Ф100μm凸点中,Cu侧未出现大块的（Cu,Ni）₆Sn₅晶粒,并且（Cu,Ni）₆Sn₅层相对平整,其晶粒细小且较薄。时效过程中,Ф20μm凸点中的Sn焊料消耗速率较大。Cu₃Sn/Cu界面处发现微裂纹,且较其他区域,微裂纹处的Cu₃Sn更薄。Ni侧的针状（Cu,Ni）₆Sn₅根部粗化呈层状。而Ф100μm凸点中,Ni侧的针状（Cu,Ni）₆Sn₅生长速度缓慢,厚度较薄。时效过程中Ф20μm凸点中（Cu,Ni）₆Sn₅以及Cu₃Sn厚度均明显大于Ф100μm凸点。针对Cu/20μm Sn/Ni体系,提出了铜柱凸点中空洞生长模型。在该模型中,前三个时效阶段内,Sn原子和Cu原子之间发生互扩散反应,生成1^st（Cu,Ni）₆Sn₅和1^st Cu₃Sn,两者随着时效时间的延长而不断增厚,Kirkendall空洞在1^st Cu₃Sn/Cu界面发生形核并扩展,甚至出现微裂纹。1^st Cu₃Sn/Cu界面Kirkendall空洞的扩展会抑制Cu原子的扩散,Sn原子扩散通量相对增多,与1^st Cu₃Sn反应,此时2^nd（Cu,Ni）₆Sn₅生成,1^st Cu₃Sn被消耗直至耗尽,2^nd（Cu,Ni）₆Sn₅/Cu界面取代1^st Cu₃Sn/Cu界面。随着时效的进行,Cu原子又与2^nd（Cu,Ni）₆Sn₅反应,导致2^nd Cu₃Sn的生成,2^nd（Cu,Ni）₆Sn₅/Cu界面继而又被2^nd Cu₃Sn/Cu界面取代,并且新生成的2ⁿdd Cu₃Sn在时效过程中继续生长变厚。此外,铜柱凸点中凹陷处金属间化合物和Kirkendall空洞的生长行为与无缺陷处的存在明显差异,Cu₃Sn的生长被促进,厚度更大并且Kirkendall空洞生长和扩展速度加快。焊料帽厚度对界面IMC形貌和厚度影响明显。与有限焊料体积对比,Cu/20μm Sn/Ni在时效过程中Ni侧（Cu,Ni）₆Sn₅疏松呈针状,散布于焊料层中,且形貌细长。Cu侧（Cu,Ni）₆Sn₅呈扇贝状,但表面相对平整。而在Cu/5μm Sn/Ni和Cu/10μm Sn/Ni体系中,焊料体积受限,Ni侧（Cu,Ni）₆Sn₅致密,粗大呈短棒状,Cu侧（Cu,Ni）₆Sn₅虽也为扇贝状,但形貌更为突出,焊料中生成椭圆形的（Cu,Ni）₆Sn₅晶粒。Cu/5μm Sn/Ni体系中Cu₃Sn厚度比Cu/10μm Sn/Ni体系中生成的Cu₃Sn厚度大得多,而对于Cu/20μm Sn/Ni体系,Cu₃Sn厚度最大。另外对于（Cu,Ni）₆Sn₅的生长,时效期间基本满足其厚度随焊料帽的增厚而增加的规律。此外,随着焊料帽厚度的减小,IMC体积比越大。