Sn基焊料在电子器件中被广泛地用于连接器件与基板,以提供所需的机械支撑和电信号通路。可靠互连焊点的性能主要取决于在回流中熔化的焊料与固态基板间的反应。此反应在焊料/基板界面所生成的IMC层会在后续的器件服役期间或者高温老化期间持续生长,导致焊点中的IMC比例不断上升。由于IMC层(如Cu6Sn5和Cu3Sn)的力学性能,例如杨氏模量、硬度等,与焊点的焊料基体和被连接的金属表面(如基板焊盘、引脚)有很大差别。因此,焊点中IMC比例的上升会导致焊点在外载荷作用下内部变形明显不协调,这会引起重要的互连焊点可靠性问题。另外,IMC生长过程中同时伴随着体积收缩。在微小焊点中,由于IMC的比例较高,IMC生长引起的体积收缩会进一步导致焊点的尺寸变化、残余应力、影响焊点的宏观变形行为以及宏观断裂行为。在过去的几十年中,虽然有大量的关于界面IMC层以及其对焊点可靠性影响的研究工作。但是,关于由IMC层生长导致的体积收缩所引起的焊点各种可靠性问题的研究,文献中少有报导。本文研究了Sn基无铅焊点在老化后的IMC生长以及由IMC生长导致的体积收缩和由于体积收缩导致的焊点界面残余应力的演化。另外,还对IMC层生长伴随的体积收缩对焊点整体的压蠕变变形和拉伸断裂行为的影响进行了研究和分析。主要研究成果如下：研究了Sn-1%Cu/Cu焊点中界面处沿扩散方向以及垂直于扩散方向的IMC生长。在175℃C老化之后,Cu6Sn5、Cu3Sn层的水平生长与老化时间的关系为h1MC=0.27t1/2+4.6,hcu6Sn5=0.16t1/2+4.1和hCu3Sn=0.17t1/2,其中t为老化时间,单位为h；h为IMC层厚度,单位为gm。在相同老化温度下,垂直IMC的高度与老化时间呈抛物线规律,其关系式为y=0.11(?)t,其中t为老化时间,单位为h,y为垂直IMC的高度,单位为gm。另外,垂直IMC为两层结构,外层为Cu6Sn5内部为Cu3Sn,但是CU3Sn先于Cu6Sn5形成。因此,IMC的垂直生长中Cu6Sn5和Cu3Sn的形成顺序与水平IMC层中两种IMC的形成顺序相反。老化过程中,IMC沿两个方向的生长与老化时间均呈抛物线关系,这表明两个方向的生长均是由扩散主导的。但是,由于相对较长的扩散距离,IMC垂直生长速率明显低于水平生长速率本文还对由界面IMC层生长引起的焊点体积收缩进行了研究。在不同的老化时间之后,使用纳米压痕系统对经过特殊设计的试样表面的形貌进行测量。通过测量发现,在175℃老化1132.5h后,焊点的塌陷可以达到1.2μm。并且,焊点的塌陷与老化时间在本文的实验条件下符合△h=-0.031×(?)的关系。由此得到的尺寸变化系数(焊点塌陷高度与IMC层的厚度比)为αexperiment=、0.114。假设Cu6Sn5和Cu3Sn均为各向同性并且致密的结构,焊点塌陷的理论值为△htotal=-(0.04-0.004x)(?)t(其中x为由Cu3Sn生成的Cu3Sn的体积占总体积的比例；t为老化时间,单位为h)。因此,尺寸变化系数的理论值为αideal=-0.147+0.0147x。通过比较可以得出,焊点塌陷的理论计算结果与实验测得的结果相符合。焊点中IMC层生长导致的体积收缩极有可能受限于相邻的焊料和基板,这可能导致焊料/Cu界面残余应力的产生。因此,老化后,在Sn-1%Cu焊料、界面Cu6Sn5层、界面Cu3Sn层以及Cu基板进行控制深度的纳米压痕实验,以研究焊点中残余应力随老化时间的演变。实验结果显示焊料/Cu界面不同部分的应力状态与实际位置以及成分有关：(1)老化过程中,Cu3Sn/Cu界面附近的Cu基板中央以及边缘均处于压应力状态,其平均值为560MPa；(2)焊料/Cu6Sn5界面附近的焊料中央部分和边缘的应力为70MPa和90MPa；(3)老化后,界面Cu6Sn5层中的压应力在中央和边缘分别上升至4GPa和3GPa；(4)相对地,在老化过程中,Cu3Sn层内在中央和边缘的拉伸应力均有上升,分别达到了1.7GPa和0.5GPa。从焊点中相邻两部分的应力-老化时间(S-t)曲线的对比结果中,可以得出：(1)界面Cu6Sn5层和相邻的焊料得到的S-t曲线没有明显的关联；(2)在焊点中央,Cu基板和界面CU3Sn层内的应力随着老化时间呈相反的趋势演变,这表明焊点中央的Cu3Sn层主要受相邻的Cu基板的约束；(3)焊点边缘的Cu3Sn层主要由相邻的Cu3Sn层约束。通过搭建蠕变实验装置,对SAC305/Cu焊点的压蠕变行为进行了初步研究。通过研究发现,当压应力为17.8～22.9MPa、温度为433～463K时,SAC305/Cu焊点的稳态蠕变应变为0.6～1.4%,对应的稳态压蠕变变形为2.5～5.8μm。在该条件下Sn-1%Cu/Cu焊点稳态蠕变过程中,界面处IMC层的厚度增加约1μm左右。由于IMC生长引起的高度变化为0.05～0.16μm,占稳态压蠕变过程中焊点高度下降总量的1～-4%。因此,在焊点稳态蠕变过程中,IMC生长伴随的体积收缩所引起的焊点高度变化对实验测量得到的焊点蠕变变形总量的影响可以忽略不计。通过在FIB制备的Cu6Sn5和Cu3Sn微柱上进行微悬臂梁测试,研究了Sn-1%Cu/Cu界面处的Cu6Sn5层和Cu3Sn层的拉伸断裂行为。在微悬臂梁测试中,Cu6Sn和Cu3Sn微柱在外加载荷条件下一直保持弹性变形,直至断裂。测试后,由Cu6Sn5微柱的断口形貌可知Cu6Sn5的主要断裂模式为穿晶断裂和沿晶断裂。而Cu3Sn微柱的断裂仅存在沿晶断裂。IMC微柱断裂模式的不同主要是由界面Cu6Sn5层和Cu3Sn层的微观组织结构决定的。另外,通过Cu/SAC305/Cu焊点的拉伸实验,发现在老化前焊点的断裂模式为韧性断裂,断裂强度为70.8±9.0MPa。当IMC颗粒沿焊料晶界处集中时,由于IMC生长伴随的体积收缩会引起应力和缺陷集中,导致焊点的拉伸强度下降至58.9±6.8MPa。当焊点老化81h后,焊点从IMC层中断裂,并且断裂强度下降明显,为57.8±8.4MPa。Cu/SAC305/Cu焊点的断裂模式和断裂强度的变化是由于IMC颗粒的特殊分布或者IMC生长伴随的体积收缩导致IMC层中应力和孔洞的积累导致的。通过对比,发现IMC微柱断裂强度远高于焊点在IMC层中断裂时的断裂强度。这证明IMC生长过程中伴随的体积收缩所导致的应力集中和孔洞等缺陷可以明显降低焊点整体的可靠性。