倒装芯片铜柱凸点互连是一种先进的集成电路(IC)封装技术,适用于覆晶封装上硅芯片与基板的连接。因具有细节距、微尺寸、超高I/O密度等优点,而广泛应用于军事、医疗、移动通信等领域的高端电子产品。然而,随着集成电路技术的不断发展,焊点节距不断缩小,承载的电流密度却不断增大,封装体内部的焦耳热、电迁移效应对焊料凸点的影响更为显著。本文首先采用ANSYS模拟了铜柱凸点温度、电流密度以及应力的分布,并通过红外热成像测试对仿真结果进行了验证。得到了铜柱凸点中温度、应力随电流密度的增长关系,确定了热电耦合场下铜柱凸点的高应力集中区域,以及引发焊料热迁移的临界电流密度值。以Cu/Sn/Cu互连结构为研究对象,分析了温度、电场应力下Cu原子的迁移行为,建立了无铅焊料中界面金属化合物(IMC)的生长动力学模型,研究了热电耦合场下IMC层的极性生长机理。结果显示,阳极IMC层因焊料中Cu原子的电迁移通量加速生长,厚度生长曲线并发生改变。而阴极IMC层生长受Cu原子的溶解和扩散过程影响,在不同初始厚度下呈现不同的生长规律。通过铜柱凸点的热电耦合测试,结合ANSYS的模拟结果,对互连的失效机制进行了研究。研究发现,由于铜柱刚度较大,热机械应力成为引发铜柱凸点互连失效的重要原因。恒温时效下,焊点Ni层结构阻断了铜柱的合金化反应,导致Cu原子的不对称消耗。而在电流应力作用下,铜柱凸点的合金化进程加速,焊料的界面反应呈现明显的极性差异。最后,结合Black方程和铜柱凸点的平均失效寿命数据,给出了互连的电流影响指数和失效激活能,建立了热电耦合下铜柱凸点的可靠性模型。通过温度仿真、焦耳热测量实验和理论计算的方法,得到了电流密度与测试样品温度的数量关系,充分考虑封装体内焦耳热和电流聚集效应影响后,对电流密度和温度等相关参数进行了调整,实现铜柱凸点可靠性模型的修正。