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键合铜线以其优良的力学性能、电学性能和低成本因素，在微电子封装上被逐步采用，但目前铜线的应用上由于其本身容易腐蚀（氧化）、键合工艺不成熟等原因，在大规模集成电路封装中的应用受到了限制，通过微合金化提高键合铜线性能是较为有效的方法，而提高铜线的抗氧化性、微合金元素对铜线键合性能的影响研究较为鲜见。本研究通过氧化称重实验，计算氧化增重率，绘制增重率-时间曲线研究了铜氧化动力学，分析了氧化机理。通过EDS和SEM分析铜表面原子能量和氧化膜形貌，研究了组织、纯度、晶粒尺寸和微合金元素等因素对铜氧化性能的影响。通过对高纯铜线和微合金铜线不同温度下力学性能和电学性能的差异及晶粒尺寸和组织结构的变化，研究了高纯铜线和微合金铜线再结晶温度/热影响区长度的差异及微合金元素对再结晶温度/热影响区长度的影响机理。在优化铜线性能的基础上，通过对高纯铜线和微合金铜线的性能及其键合质量、键合强度的分析，研究了微合金元素对键合铜线性能的影响，系统分析了铜线性能和键合参数对键合质量的影响，采用EDS对经过高温可靠性试验和高温蒸煮试验的Cu-Al界面成分及连接强度进行分析，研究了铜线键合的可靠性及失效机理。主要结论如下：1.通过对铜的氧化机理、铜表面不同能量的原子、氧化膜形貌分析研究，得出铜氧化的微观过程是铜中的自由电子逐渐向氧原子偏移，先生成铜和氧的非晶体，接着这种非晶组织继续被氧化并长大，最终氧原子得到铜原子的一个电子形成疏松的Cu2O颗粒附着在铜基体上，当基体完全由Cu2O膜覆盖后，Cu2O继续被氧化成致密的CuO，而不是电子一次性被氧原子得到生成Cu2O晶体或者CuO晶体。2.铜氧化具有明显的取向性，非密排的（100）晶面上界面能高、晶面原子堆垛相对疏松和原子尺度上粗糙，且氧化膜生长连续，氧化速率高于密排的（111）晶面。氧化膜对纯铜氧化速率的影响和氧化膜的附着性和致密性有关，氧化膜越致密且与基体附着性越好氧化速率越小。单晶铜（111）晶面氧化膜生长致密且附着性好，多晶铜氧化膜的致密性和附着性能次之。单晶铜（100）晶面氧化膜的致密性和附着性都较差，氧化速率大于多晶铜。高纯铜（100）晶面的氧化膜容易脱落，低纯铜（100）晶面的氧化膜与基体是机械钉扎结合方式，结合不紧密。晶粒细化使得铜表面（111）晶面的面积相对原来未细化时的面积增加，即能量较小的晶面原子所占的面积增大，氧化速率减小。3.高纯铜加入微量Sn，使键合铜线的晶粒尺寸均匀，增加了小能量晶面的面积，同时由于Sn原子与氧原子的亲和力大于铜原子与氧原子的亲和力，所生成的氧化Sn与氧化铜之间互不固溶，铜Sn合金在形成的氧化膜与铜基体的界面间和氧化亚铜之间生成了保护氧化层，提高了高纯铜的氧化性。4.位错周围的弹性应力场的交互作用使Sn原子在位错周围形成气团，对再结晶过程中的位错运动与重排起阻碍作用，抑制再结晶过程的形核，Sn原子与铜原子间的化学交互作用与弹性交互作用，引起高纯铜的晶格畸变，阻碍了再结晶过程中铜的晶界迁移，减少了纯铜的再结晶形核率和晶粒长大两个过程，从而抑制再结晶，提高了再结晶温度，减少了铜球的热影响区，热影响区长度由高纯铜线的150μm减少到微合金铜线的120μm。微合金铜线的熔断电流与熔断时间之间符合I3.49exp.1030.61分布，置信区间为0＜t＜103；微合金铜线熔断电流与弧长之间符合l30.066750.78613.25.2562分布，置信区间为0＜l＜5。5.微合金铜线中，微量元素Sn的存在更有利键合过程中位错密度的增加，而位错密度的增加是形成键合界面和有效连接强度的主要因素，因此微合金铜线的键合强度高于高纯铜线。微量元素Sn的加入，使同体积的金属晶粒个数越多，且晶粒的取向不同，增加了变形时的协同作用，降低了变形的不均匀性程度，使形变时同样的形变量可分散到更多的晶粒中，从而产生较均匀的形变，得到均匀的第一焊点形貌。微合金铜线的性能影响烧球后的HAZ长度，加工硬化状态的铜线内部存在高的位错密度和位错能，降低了其再结晶温度，热影响区长度增加了8.7%。6.超声功率是键合过程中的关键，过大的超声功率使键合区域变形严重产生明显的裂纹，并会引起键合附近区域严重的应力集中，致使器件使用过程中产生微裂纹；过大的超声功率还会破坏已经形成的键合区域导致键合强度下降，形成无连接或剥离的结果。而过小的超声功率不能为键合强度的形成提供足够的能量，形成无强度连接或脱落。键合过程中，键合压力的不当会导致弹坑缺陷。键合过程中铜球传递给铝焊盘的压力的最大位置均在劈刀嘴部所对应处，形成可靠连接，铝焊盘中部，所受压力比较小，铜球不能经历充分的塑性变形，在铝金属化焊盘上不能完全铺展开来，铝膜所受的挤压较轻，形成薄弱连接。7.铜球焊点在经过高温可靠性试验（High Temperature Storage）后，键合界面没有出现空洞和裂纹，形成了CuAl、Cu9Al4金属间化合物，球焊界面的连接强度增加，测试失效模式是铝层剥离，与高温存储试验前相同。焊点经过高温高湿试验（PressureCooking Test）后，强度降低，键合界面出现孔洞，Cu9Al4金属件化合物消失，对于Cu/Al键合界面来说，Cu活性相对于Al较低，在潮湿的环境中，卤素原子的加入使周围环境呈现弱酸性，具备了电化学腐蚀的条件，而Cu9Al4金属间化合物其IMC中Cu含量较高，其电化学势比Cu低且不容易形成保护层，容易被腐蚀，其反应式为：Cu9Al4+12Br-=4AlBr3+9Cu+12e-，降低了器件的可靠性。本研究通过将对铜线氧化机理、氧化性能影响因素、微合金元素Sn对键合铜线性能的影响及铜线键合可靠性有了新的认识，对提高铜线性能，加快铜线在微电子行业的应用具有重要的理论意义。