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晶片键合在新型的SiP封装、3D封装及MEMS系统的加工中有着重要的应用。传统晶片键合技术通常需要在高温条件下进行,由此导致的热应力问题会造成器件工作不稳定和可靠性降低;同时过高的温度还会使晶片材料中的功能成分再度扩散,致使电学特性恶化。因此,低温键合技术日益被重视,已成为新型封装制造中的关键技术。本文采用理论和实验相结合方法系统地研究Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）活性焊料在低温下实现活性焊接晶片和陶瓷基板的机理,采用热力学分析方法研究固-液界面的润湿机理,探索低温活性焊接动力学过程并建立相应的界面模型,采用芯片剪切强度的测试标准对基板焊接的力学性能进行测试并分析断裂机制,为低温活性焊接方法应用于基板键合和先进封装提供理论和实验基础。论文分析了Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）活性焊料的显微组织及其形成机理,Ti原子与Sn有较强的结合能是Sn-Ti在活性焊料中群集的重要因素;研究了活性元素Ti对Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）在晶片和陶瓷基板上润湿性的影响,探讨了活性元素Ti的扩散机理,分析了界面存在活性吸附的可能性;对固-液界面的热力学分析,结合实验上对Ti在焊料与Si或陶瓷基板界面有明显的偏聚现象的观察,可以判断活性元素Ti在界面的吸附可能是改善焊料在晶片和陶瓷表面润湿性的重要驱动力之一。研究Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）与Si基板的低温活性焊接机理的结果表明,在焊接时间为30分钟的Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）/Si焊接中,Ti元素明显地偏聚在Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）/Si界面上,在界面上有生成物TiSi2形成。理论上采用活性吸附理论和反应热力学理论分析了焊接过程中固-液界面的反应及化合物的形成机理,建立了活性焊料的低温焊接界面模型,推测可能有两种焊接机制同时存在于焊接的过程中:Ti元素在Si表面的化学吸附机制和Ti与Si之间的界面反应机制。两种机制同时存在并且在实现Si和Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）可靠连接上发挥重要的作用。剪切强度测试结果表明,Si/Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）/Si的剪切强度随着焊接时间的增加而增强,焊接时间为1分钟,15分钟,30分钟和60分钟的剪切强度分别是22.25MPa,23.32MPa,25.34MPa和27.56MPa,剪切强度满足Si片焊接的要求。论文研究了Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）与SiO2基板的低温活性焊接机理。探索了焊接界面微观形貌,Ti元素在界面的分布和界面上形成的反应生成物。实验结果表明,与Si片焊接的微观结构有相似性但也有明显的不同,Ti元素在界面上除了有明显的偏聚现象外,分布层比较厚而且连续,并且反应形成了TiSi和TiO2。采用反应热力学和活性元素的吸附理论分析了Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）与SiO2基板的焊接机理,建立了焊接过程动力学模型,理论与实验结果表明Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）活性焊料在SiO2基板上润湿的重要原始驱动力之一仍然是Ti元素在SiO2表面的化学吸附,其焊接机理主要是Ti与SiO2之间的界面反应并生成了更多的反应物。剪切强度测试结果表明,焊接时间为1分钟,15分钟,30分钟和60分钟的剪切强度分别是11.15mpa,14.10mpa,16.37mpa和17.91mpa,剪切强度满足SiO2片作为基板的焊接要求。研究Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）与Al2O3基板的低温活性焊接机理的结果表明,活性元素Ti在焊接过程仍然起着重要的作用,界面处可能存在Ti原子与Al2O3中的氧原子形成离子键或共价键的键合,从而形成化学吸附,使得Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）与Al2O3基板在低温下能较好地焊接。sem和xrd的检测结果表明,界面处没有反应物质形成,表明在焊接过程中没有发生化学反应,其结果与反应热力学和焊接动力学理论分析的结果一致。剪切强度测试结果表明剪切强度随焊接时间的增加而增强,焊接时间为1分钟,15分钟,30分钟和60分钟的焊接剪切强度分别是12.31mpa,15.46mpa,16.15mpa和17.39mpa。此外,对恒温老化过程中Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）/Si焊接界面形态演化的机理进行了研究。重点分析了恒温时效对焊接界面微观形貌的演变、Ti元素在焊接界面处的分布以及界面化合物形成的影响。结果表明焊接时间为30分钟的Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）/Si在190℃下老化720小时后,Ti元素更加明显地偏聚在Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）/Si焊接界面处,并且分布区域较宽且呈连续分布,其机理可能是Ti元素在恒温老化期间继续向硅表面扩散。实验中还发现在界面上形成了新的硅化物TiSi,其原因是在恒温老化过程中,Si和Ti原子缓慢地扩散,在界面处相遇而发生化学反应,从而形成新的物质。然而剪切强度测试结果表明老化后基板焊接的剪切强度没有很明显的变化,其可能的原因是老化过程中形成新的化合物一方面强化了焊接界面的强度,另一方面化合物的脆性可能削弱焊接强度,从而对焊接的强度发生较小的影响。研究恒温老化过程中Sn3.5Ag4Ti（Ce,Ga）/SiO2焊接界面形态演化的结果表明,焊接界面反应生成物TiSi和TiO2的厚度明显增加,Ti元素在界面上的分布区域变宽,其机理可能是Ti元素在恒温老化期间继续向二氧化硅基板表面扩散,与从基板中扩散过来的Si和O发生化学反应,从而形成更多的界面生成物。剪切强度测试结果表明老化后SiO2/SiO2焊接的剪切强度明显降低,这可能由于界面反应生成物TiSi和TiO2都是脆性化合物,在老化过程中脆性物质的增加导致焊接更加容易发生脆性断裂,从而对焊接强度发生影响。