焊料互连在电子产品的生产和制造过程中起着极其重要的作用,无论是在尺寸较大的板级组装还是微型化的3D芯片集成中都是不可或缺的一种连接方式。尤其在当今3D芯片叠层互连中,焊点的间距和尺寸都急剧缩小,互连焊点中的Sn基焊料层在加热焊接或服役过程中,因与焊盘金属反应而极易完全转变为金属间化合物(IMCs)。在所形成的全IMCs微焊点中,IMCs层作为唯一的互连介质,其微观组织的演变和性质对焊点的互连可靠性起着关键性的作用。为此,本论文围绕全IMCs微焊点的微观组织演变和性能开展研究,主要内容和结论如下:针对限制微焊点细小间距互连应用的IMCs横向生长的行为,采用依次电镀的方法在轧制的Cu基板和Ni基板上电镀Sn/Cu层,制备了Cu/Sn/Cu和Ni/Sn/Cu的三明治结构,其中Sn镀层厚度为2.5~5μm,通过观察互连结构在260°C真空条件下保温30 mins后的形貌,发现Cu/Sn/Cu结构中IMCs由两侧Cu/Sn界面相向生长,并在中心线附近相遇,最终形成上下双层结构,并且每个IMCs层均由外层鹅卵石状的Cu6Sn5大晶粒和内部较细小的Cu3Sn晶粒组成。在互连高度为2.5μm的焊点中,局部Cu/IMCs界面和中间层内部缺陷附近还出现了富Cu-晶须。在使用聚焦离子束(FIB)制备的Cu/Sn/Cu微柱结构中,由于浓度梯度和化学反应等的共同驱动,互连材料发生了由内向外的大规模横向迁移,导致焊点内部出现大量空洞。而在Ni/Sn/Cu互连结构中,由于受到Cu/Sn和Ni/Sn界面反应速率不一致的影响,IMCs的横向生长呈现出不对称性。对于IMCs的纵向生长(垂直于界面的生长),通过在轧制Cu基板和电镀Cu基板上依次电镀Sn/Cu层,制备了Cu/Sn(2.5μm)/Cu结构,研究和分析了焊接温度、时间和基板类型对IMCs组织演变的影响。结果表明,焊接过程中中间层的快速凝固抑制了界面Cu6Sn5的扇贝状生长,从而形成了完整的Cu6Sn5 IMCs微焊点。随着焊接温度的升高或保温时间的延长,微焊点中Cu6Sn5层厚度不断减小,Cu3Sn层厚度不断增加,且此转变过程受基板类型的影响。当焊接温度从240°C提升至290°C时,电镀Cu基板上Cu3Sn层的生长指数从0.48降至0.34;而轧制Cu基板上Cu3Sn层的生长指数则从0.29增至0.36。Cu3Sn层的生长速率在温度较低时主要受限于Cu原子向中间层的扩散速率,而在较高温度时则以Cu3Sn层的厚度为主导;在邻近电镀Cu基板的Cu3Sn层内出现了柯肯达尔孔洞。经290°C焊接保温15 mins后,在电镀Cu基板上所形成的微焊点主要由多孔的Cu3Sn组成,但此Cu3Sn层依然具有较好的抗剪切强度。对于Cu3Sn IMCs微焊点,通过采用背散射衍射技术(EBSD)技术对其组织均匀化过程进行了深入的分析。对260oC真空条件下保温10/30/50/70 mins后所得IMCs微焊点进行观察发现:虽然晶粒较大的Cu6Sn5中间层在IMCs层的相变过程中被消耗,但大量细小的Cu6Sn5晶粒仍分布在不断粗化的Cu3Sn晶粒周围。随着保温时间的延长,IMCs层内Cu6Sn5的含量不断降低,Cu3Sn同时生长和熟化,并受Cu原子的扩散控制,趋向于形成垂直Cu/IMC界面的Cu3Sn柱状晶。对Ni/Sn(1.5μm)/Cu结构的微观组织演变和机理进行了研究。240°C焊接所得微焊点的Cu-Sn-Ni IMCs中间层由三部分组成:Cu侧的富Cu区,主要成分为(Cu,Ni)3Sn,其生长指数为0.36;中间的富Sn区,主要成分为(Cu,Ni)6Sn5;Ni侧较薄的富Ni区。在较高的焊接温度下,IMCs中间层各组分间的界限随着保温时间的增加而变得模糊。当大部分的(Cu,Ni)6Sn5层在290°C条件下转变为(Cu,Ni)3Sn时,焊点中心线附近出现了与Ni/IMCs界面处相似的富Ni相,其Ni含量可高达20 at.%。实验结果表明Cu和Ni原子在IMCs层中的互扩散对焊点微观组织的演变起着决定性的作用,且Ni/IMCs/Cu结构中的界面反应存在着明显的交互影响。此外,采用纳米压痕仪测量得到室温下(Cu,Ni)6Sn5、(Cu,Ni)3Sn的杨氏模量和硬度值分别为160.6±3.1 GPa、7.34±0.14 GPa和183.7±4.0 GPa、7.38±0.46 GPa,均高于Cu6Sn5和Cu3Sn的相应值;且在2000μN作用30 s后Cu-Sn-Ni IMCs的蠕变量约为在3.5~5nm。同时,还使用FIB设计并制备了适用于原位微/纳压缩和弯曲实验的IMCs微悬臂梁。290°C焊接所形成的Cu-Sn-Ni IMCs中间层在测试时主要发生沿晶和穿晶的脆性断裂,其压缩断裂强度值约为2.46 GPa、极限抗拉强度值为2.3±0.7 GPa,且受加载速率和IMCs层微观组织变化的影响不大。