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微电子封装系统中,起到热、电和机械连接作用的无铅焊料合金与基板的界面反应直接影响焊点可靠性。本文以极具应用前景的Sn-Zn系和Sn-Ag系无铅焊料合金为研究对象,通过添加微量第三元素和异相纳米颗粒,结合微观组织分析,系统研究了不同第三组元的添加对二元无铅焊料合金与基板间界面反应的影响。同时采用高温时效处理模拟焊点的高温服役过程,揭示其组织中各相的演化规律、界面扩散行为以及金属间化合物层的生长机制。上述研究包括的主要内容和获得的结论是:通过将Sn-9Zn、Sn-8Zn-1Bi和Sn-8Zn-3Bi焊料合金在Cu板上回流焊接,系统研究了Bi组元的添加对Sn-Zn-xBi/Cu焊点界面形貌的影响。结果表明:随Sn-9Zn焊料合金中Bi含量的增加,减少了焊料合金与Cu板间线膨胀系数差值,降低了界面处裂纹形成倾向。并且Bi组元的添加降低了Sn-Zn焊料合金的熔点,因此,在相同的回流过程中熔点越低焊料合金处于液态的时间越长,导致其金属间化合物层厚度增加及晶粒粗化。此外,Bi在金属间化合物表面的局部偏聚,部分地阻挡了金属间化合物向熔体焊料的溶解,导致Sn-8Zn-3Bi焊料合金界面金属间化合物层呈现锯齿状形貌。研究了高温时效下Sn-3.5Ag-x(x=0, 0.75Ni, 1.0Zn和1.5In)/Cu界面金属间化合物的微观组织演变及其生长规律。结果发现:高温时效8分钟前Ni3Sn4/Cu6Sn5金属间化合物层在Sn-3.5Ag-0.75Ni/Cu界面处形成,当时效时间超过24分钟后,金属间化合物层转变为(Cu, Ni)6Sn5相,生长速度减缓。Cu6Sn5/Cu5Zn8金属间化合物层在Sn-3.5Ag-1.0Zn/Cu界面形成,而且其生长速度近似于Sn-3.5Ag/Cu界面金属间化合物层的生长速度。长时间时效后金属化合物层转变为Cu-Zn-Sn相,生长速度开始加快。Sn-3.5Ag焊料合金中添加In组元后界面处形成了Cu6(Sn, In微量)5金属间化合物颗粒,加快了其生长速度直到In被界面反应消耗殆尽。研究了时效过程中Sn-3.5Ag-1.5In焊料合金与Au/Ni/Cu焊盘间的界面反应,发现时效过程中Sn-3.5Ag/Au/Ni/Cu界面金属间化合物由(Ni, Au)Sn4相演化为Ni3Sn4相,但生长速度没有明显变化。高温时效初始阶段(Ni, Au)Sn4和Ni3Sn4相在Sn-3.5Ag-1.5In/Au/Ni/Cu界面形成。当In组元参与到界面反应后,促进了Sn原子的扩散,加快了Ni3(Sn,In)4相的生长速度,但长时间时效时,其影响作用逐渐减小。通过制备Sn-8Zn-1Bi-x纳米Ag和Sn-8Zn-1Bi-xMWCNTs复合焊膏,并将其置于Cu板上回流焊接,探讨了纳米Ag颗粒和MWCNT的添加对Sn-Zn-Bi焊料合金及界面金属间化合物层生长过程的影响。结果表明:在Sn-Zn-Bi焊料合金中添加纳米Ag颗粒后,在富Zn相的晶粒周围形成AgZn3金属间化合物颗粒,因此阻挡了水蒸气和氧气的扩散路径,抑制了ZnO在晶粒边界的形成;而部分AgZn3金属间化合物依附在Cu-Zn金属间化合物层上方形核生长,增加了界面整个金属间化合物层的厚度。在Sn-Zn-Bi焊料合金中添加MWCNT颗粒后,由于其表面吸附作用降低了焊料合金组织中富Zn相的晶粒表面能,细化了富Zn相的晶粒尺度,并且分布在界面处的MWCNT有效地阻碍了Sn、Zn和Cu原子的扩散,抑制了界面Sn-Cu-Zn金属间化合物层的生长。