全球正迎来电子信息技术时代，电子产品正朝着高性能、多功能、高可靠、小型化、薄型化、便捷化以及低成本的方向发展，封装技术也向着高密度、高可靠、低成本的方向发展。封装领域中一直遵循着一代电路，一代封装，一代材料的发展定式。其中，焊料合金作为一种封装材料，通过与衬底材料形成冶金连接，达到芯片保护的目的，并为电子系统提供必不可少的电气、导热和机械连接，以发挥芯片的功能。焊料合金在基板材料上的焊接性能直接决定着整个电子系统的服役可靠性和使用寿命。因此，超微化进程中高性能焊料合金的研究开发非常重要。本文通过向Sn-3Ag-0.5Cu （SAC305305）和Sn-0.7Cu （SC）两种基体无铅焊料中分别添加Polyhedral oligomeric silsesquioxanes （POSS）纳米颗粒和Bi/Ni元素制备得到新型无铅焊料，系统地研究了外加颗粒和第三、四元素对基体焊料合金的熔化特性、润湿性能和微观组织的影响，并探讨了不同热应力下（复合）焊料合金焊接接头的微观组织演变过程和断裂机理。全文主要内容和结论如下：对经过热循环、热冲击和等温时效处理的图像&中央处理器（Graphic&CentralProcessing Unit，GCPU）上的焊点进行剪切和拉伸实验，研究了不同热应力下SAC305/Cu焊接接头的剪切强度和拉伸强度，探讨了SAC305/Cu焊接接头在剪切应力和拉伸应力下的断裂机制，并分析了不同热应力对其断裂机制的作用机理。结果表明：焊点的平均剪切强度随着热循环、热冲击循环数的增加和等温时效时间的延长呈波动的下降趋势，且热循环条件下焊点的剪切强度下降速度最快。这是因为不同热应力下，焊点接头处的微观组织形貌演变程度不同，焊点内部裂纹的萌生和扩展路径也有差异，从而对焊点的剪切强度造成影响；焊点的平均拉伸强度并未随热循环、热冲击循环数的增加和等温时效时间的延长而降低，而是呈现缓慢上升的趋势。说明热应力不是诱发焊点拉伸断裂的主要因素。通过向SAC305中添加POSS纳米颗粒，研究了POSS分子在等温时效条件下对SAC305/Cu接头处金属间化合物（Intermetallic compounds, IMC）的生长形貌和生长速率的影响。结果表明：POSS分子能细化基体焊料中的β-Sn初晶，使焊料晶界数量增加。回流焊接后，部分POSS分子吸附在IMC上，这种吸附作用在时效过程中会改变IMC的生长速率和形貌。当POSS分子的添加量为3wt.%时，IMC生长速度达到最慢。在回流和时效过程中，IMC的生长伴随着Cu6Sn5向焊料中的溶解。POSS分子吸附在IMC表面，降低了IMC的界面能，有效地阻止了固态Cu6Sn5向焊料中的溶解。由实验结果可知，当向焊料中添加3wt.%的POSS分子时，接头处IMC向焊料中的溶解率最低。通过向SC基体焊料中添加Bi和Ni元素，研究了Bi和Ni元素对SC焊料合金的熔化特性、润湿性能和微观组织的影响；并通过对焊接接头多次回流和等温时效处理，分析了不同热条件下Bi和Ni元素对IMC的微观组织和剪切强度的影响。结果表明：3.5wt.%Bi元素的添加明显地降低了焊料合金的熔化温度，改善了SC焊料合金的润湿性能，但同时加宽了糊状区；Bi元素在SC焊料合金中从β-Sn初相中析出，钉扎晶界，起到晶界强化作用，提高了焊料的剪切强度，同时抑制接头金属间化合物的生长。Ni元素的添加对SC焊料合金的熔化特性和润湿性能影响不大，但能细化晶粒，起到细晶强化的作用。当加入0.01wt.%的Ni时，能够提高焊料接头在高温时效后的剪切强度。