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在电子市场的需求下，多功能、高密度、低成本以及微型化电子产品成为发展的主要方向。裸芯片通过焊点直接组装到电子产品的结构中，省去传统组装工艺的封装过程，即直接进行高密度的板卡组装，这一过程缩小了组装体积，减少了工艺步骤，因此能够减小电子产品尺寸和降低工艺成本，特别是细间距倒装芯片组装。NiAu和OSP是目前工业界应用较广泛的焊盘界面保护层，在传统的封装工艺中，由于芯片在封装、组装及返修过程中需要经历多次回流，因此多选用NiAu；而OSP较之NiAu简化了工艺流程和降低了成本，因此是电子组装中基板侧Cu焊盘的理想选择。尽管倒装芯片组装具有上述优点，但裸芯片和PCB的CTE相差较大，在运行及热循环环境中易因热失配而导致焊点失效，特别是细间距倒装焊点承受着更高的应力和应变。此外，倒装焊点尺寸小，焊点的微观组织在运行和可靠性环境中会发生较大改变，而焊点的微观组织改变会导致新的可靠性问题出现。本论文的研究目的：为细间距（100μm）倒装芯片通过微小焊点直接组装到PCB基板上，且基板侧和芯片侧焊盘保护层分别为OSP和NiAu，做一定的基础理论研究；同时选用较大间距（200μm）倒装芯片，采用相同的保护层、工艺、组装结构以及可靠性试验，与细间距倒装组装焊点对比，评估倒装组装焊点尺寸效应对焊点微观组织和可靠性的影响；最后通过基础理论研究、可靠性试验以及对比大间距倒装芯片组装的可靠性评估100μm倒装芯片组装在工业上应用的可行性。研究思路和内容为：采用焊点间距分别为100μm和200μm的倒装芯片组装，研究在回流过程、热时效和热冲击过程中焊点界面和基体中IMC生长和演变，探讨尺寸效应对焊点IMC生长和演化的影响；研究异质焊盘界面原子的交互作用对IMC生长和演化影响；研究焊点在热冲击条件下裂纹的萌生和生长、裂纹生长机理以及尺寸效应对焊点裂纹生长机影响，并评估IMC对焊点可靠性的影响；建立三维有限元模型对焊点承受的力学行为进行模拟，获得评估焊点失效的损伤尺度。此外，利用威布尔分布概率统计，评估两种倒装芯片组装在热冲击条件下的可靠性寿命；利用Darveaux理论寿命预测模型评估焊点寿命,并建立寿命预测模型。最后评估细间距（100μm）倒装芯片组装，且基板侧Cu/OSP，应用到工业上的可行性。研究内容和结果如下：研究凸点制备回流及组装互连回流过程结果显示：在凸点制备回流过程中，由于凸点的尺寸效应，在100μm间距凸点Ni焊盘界面上形成的主要IMC为（Ni,Cu）3Sn4，呈长针状；而在200μm间距凸点Ni焊盘界面上形成的主要IMC为（Cu,Ni）6Sn5，呈标准的钻石状，在其下面形成了一薄层（Ni,Cu）3Sn4，呈团聚的颗粒状。通过反应前后Cu原子的质量守恒公式可算出，在100μm和200μm间距焊点中Cu原子在回流反应后的残余量分别为0.15%和0.31%，结合相图分析可知焊点中Cu原子的残余含量决定着界面主要IMC的种类和形貌。互连回流过程中，在Ni焊盘界面上，由于Cu焊盘界面Cu原子的交互作用，100μm间距焊点界面上的主要IMC（Ni,Cu）3Sn4转化成（Cu,Ni）6Sn5，晶粒形貌转化成细棒状；200μm间距焊点界面上IMC种类没有发生变化，但主要IMC（Cu,Ni）6Sn5厚度和晶粒数目增加明显；在Cu焊盘界面上，两种尺寸焊点中均形成了（Cu,Ni）6Sn5，但200μm焊点中的棒状（Cu,Ni）6Sn5更长，且（Cu,Ni）6Sn5中存在着很多微孔。热时效过程结果显示：在Ni焊盘界面上，对于100μm间距焊点，短的互连高度缩短了Cu原子从Cu焊盘界面扩散到Ni焊盘界面的扩散距离，导致了Ni焊盘界面上的（Ni,Cu）3Sn4全部转化成（Cu,Ni）6Sn5。在Cu焊盘界面上，对于两种尺寸焊点，由于Cu焊盘界面（Cu,Ni）6Sn5中Ni原子对Cu3Sn的抑制作用，在时效过程中Cu3Sn生长很慢。同时两种尺寸焊点两侧界面IMC生长速率先快后缓，Cu焊盘界面IMC生长速率远高于Ni焊盘界面，100μm间距焊点界面IMC生长速率高于200μm间距焊点界面。IMC生长动力学研究表明，两种尺寸焊点界面IMC的生长均为界面原子扩散控制，100μm和200μm间距焊点Cu焊盘界面（Cu,Ni）6Sn5生长的热激活能分别为67.89kJ/mol和77.68kJ/mol。热冲击过程结果显示：热冲击过程中两种尺寸焊点双侧焊盘界面IMC的生长和演化趋势与热时效过程相似，然而界面和焊料基体中IMC的尺寸明显增大，通过有限元模拟可知，热冲击过程中焊点承受着更高应力，高应力促进了IMC的生长。焊点的尺寸效应对IMC影响研究发现，100μm间距焊点界面和焊料基体中IMC的生长速率要明显高于200μm间距焊点，通过有限元模拟可知，小尺寸焊点承受更大的应力，因此促进了IMC的生长。IMC生长动力学研究可知：100un间距焊点界面IMC生长的动力学时间常数n和生长系数D分别为2.47和0.203μm/h1/2，200μm间距分别为2.18和0.104μm/h1/2，由此可知热冲击条件下Cu焊盘界面IMC生长受界面原子扩散控制。热冲击条件下焊点的可靠性研究结果显示：对于100μm间距焊点，焊点失效属于疲劳裂纹失效，通过有限元模拟读出焊点的损伤尺度，利用损伤尺度在焊点上的分布分析了裂纹的生长，与实验结果非常一致。此外，从金属学原理的位错和回复与再结晶角度分析了100μm间距焊点的失效机理，可以推断热冲击条件下大量位错在芯片侧焊盘和焊料基体间的界面处聚集以及回复再结晶导致Sn晶粒的增多是导致裂纹萌生和扩展的主要原因。而200μm间距焊点，失效属于提前脆性裂纹失效，机理分析可知Ni焊盘上大量颗粒状团聚的（Ni,Cu）3Sn4增加了界面能，为裂纹的生长提供能量；P等杂质扩散至（Ni,Cu）3Sn4界面降低了界面的粘结性，为裂纹的生长提供位置；芯片侧Ni焊盘界面处于高应力集中状态为裂纹生长提供驱动力。根据威布尔分布寿命统计可知焊点间距为100μm和200μm倒装芯片组装的特征寿命分别是4714次和6217次；根据Darveaux寿命预测模型计算100μm和200μm间距边角倒装焊点的寿命分别为6171次和7227次；100μm间距焊点Darveaux寿命预测模型常数K1，K2，K3和K4分别为1648.96、-0.2349、0.00479和-0.7004，200μm间距焊点Darveaux寿命预测模型常数K1，K2，K3和K4分别为551.6975、-1.1095、0.2362和1.5477。通过研究结果可知，采用100μm细间距倒装芯片组装，并选用OSP和Ni/Au分别作为基板侧和芯片侧焊盘保护层，应用于电子产品的组装中是可行的。需要注意的是，本课题主要关注倒装芯片直接完成与PCB的组装，不需要经过多次回流，因此OSP作为基板侧Cu焊盘保护层可行，但如果焊点需要多次回流，Cu焊盘界面IMC易生长过厚导致焊点失效，因此需要做进一步评估研究。