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随着电子器件向小型化发展,电子封装密度逐渐增大、互连尺寸不断减小,导致互连界面的可靠性成为影响整个电子器件使用性能的关键因素。目前,电子封装技术中广泛使用Sn基无铅焊料作为主要的互连材料,其与基板上铜互连线之间界面金属间化合物（Intermetallic Compound,IMC）的形成和生长是影响封装可靠性的最主要的原因。Sn-Zn系无铅焊料因其资源丰富、价格低廉,特别是熔点接近锡铅共晶焊料等优点,受到了广泛关注。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算了Ag、Al、Ga、Ni四种合金元素掺杂对Cu5Zn8 IMC的相结构、相稳定性以及原子扩散激活能的影响。并根据计算结果,采用合金熔炼的方法制备了添加Ag和Ni的Sn5Zn-x Ag和Sn5Zn-x Ni两种复合焊料。通过理论计算与试验相结合的方法研究了Ag和Ni两种元素对Sn5Zn焊料/铜界面金属间化合物形成及150℃等温老化条件下生长的影响。同时研究了合金元素Ag和Ni掺杂对Sn5Zn/Cu接头剪切强度的影响,并通过焊料组织金相、断口形貌和成分分析探究了合金元素对接头强度的影响机制。第一性原理计算结果表明,合金元素Ga和Al的掺杂不能形成更稳定的Cu5Zn8-based晶胞,Ag和Ni掺杂可提高Cu5Zn8-based晶胞的稳定性,其中Ag倾向于取代Cu2（12e）位置,Ni倾向于取代Cu1（8c）位置。通过对掺杂前后Cu5Zn8-based晶胞中不同位置Cu原子和Zn原子空位形成能以及对近邻位置间空位-原子交换势垒的计算,得到了Cu原子和Zn原子的扩散激活能,并发现Ag和Ni掺杂能够提高Cu原子和Zn原子的扩散激活能,说明Ag和Ni掺杂能够抑制Cu5Zn8晶胞中Cu原子和Zn原子的扩散,尤其是可以有效抑制Zn原子扩散,与Ag相比Ni的抑制作用更明显。回流后,Sn5Zn/Cu界面IMC平整、厚度均匀,没有明显分层现象,根据能谱分析和Cu-Zn相图可知IMC层主要是Cu5Zn8。与Sn5Zn/Cu界面IMC厚度相比,Sn5Zn-1Ag/Cu界面IMC厚度明显减小,随着焊料中Ag含量增多,Sn5Zn-x Ag/Cu界面IMC厚度逐渐增加,Sn5Zn-4Ag/Cu界面IMC厚度为5.16μm,十分接近Sn5Zn/Cu界面IMC厚度。Sn5Zn-4Ag/Cu界面IMC分为两层,靠近焊料部分为Ag5Zn8,呈类似笋丁状形貌;靠近Cu的部分为（Cu,Ag）5Zn8。与Sn5Zn/Cu界面IMC厚度相比,Sn5Zn-1Ni/Cu界面IMC层厚度显著减小,随焊料中Ni含量增加,界面IMC厚度略有升高,但始终远小于Sn5Zn/Cu界面IMC厚度,同时也小于Sn5Zn-x Ag/Cu界面IMC厚度。Sn5Zn-4Ni/Cu界面IMC没有明显分层现象,且IMC层平整、厚度均匀,其成分为（Cu,Ni）5Zn8。这说明,Ag和Ni的掺杂对Sn5Zn基焊料与铜互连界面之间IMC的形成具有一定的抑制作用,与Ag相比Ni的抑制作用更显著;且掺杂Ag和Ni后在界面形成了含Ag和Ni的化合物层,根据理论计算结果分析认为是由于掺杂Ag和Ni的Cu5Zn8-based晶胞形成能更低、稳定性更好所致。随老化时间延长,各成分焊料与铜互连界面IMC层厚度均逐渐增加。合金元素Ag和Ni可以有效降低老化过程中界面IMC的生长速率,并且与少量掺杂合金元素的焊料与铜界面相比,大量掺杂合金元素的焊料与铜的界面IMC生长速率较低。掺杂合金元素Ni的焊料与铜界面IMC生长速率略低于掺杂合金元素Ag的焊料与铜界面IMC生长速率。根据理论计算结果分析认为这主要是由于Ag和Ni的掺杂可以提高Cu5Zn8-based晶胞中Cu原子和Zn原子的扩散激活能,抑制Cu原子和Zn原子扩散,尤其是可以有效抑制Zn原子扩散,导致掺杂合金元素的焊料与铜界面IMC生长速率降低;相较于Ag的抑制作用来讲,Ni的抑制作用更明显,导致掺杂合金元素Ni的焊料与铜界面IMC生长速率更低。各成分焊料与铜互连接头剪切强度均随等温老化时间延长而降低。老化一定时间后,Sn5Zn-x Ag/Cu互连接头的剪切强度明显高于Sn5Zn/Cu,Sn5Zn-x Ni/Cu互连接头剪切强度略高于Sn5Zn/Cu,即合金元素Ag和Ni的添加可以提高焊料/铜互连接头老化过程中的可靠性,其中Ag的作用更显著。互连接头在剪切力的作用下发生断裂的位置处于界面IMC和靠近界面的焊料基体中。