随着电子工业的快速发展,一些新型半导体材料开始出现,如氮化镓、碳化硅等第三代半导体材料,并逐渐成为当前半导体材料发展的主流,这些新型半导体材料的组织与性能对温度和成分变化极为敏感,对互连材料和工艺提出了更高的要求,采用一般焊料则会使力学性能和使用的工作温度不能满足要求。同时,随着电子产品高密度集成的发展,在电子产品制造过程中,存在分步组装和焊接的问题,先组装的部分要采用较高熔点的焊料,而传统上的锡基焊料合金因熔点较低已经不能满足使用要求,因此需要研究新型高温无铅焊料。Zn-Sn系高温无铅焊料有良好的力学性能以及优异的导电、导热性能,且其成本低廉,被认为是一种很有开发前景的高温无铅焊料。但是Zn-Sn系焊料中主要的组成物质Zn的组织不够致密,本身的强度与硬度不高,因此需要添加适量的合金元素以及增强相来改善Zn-Sn系无铅焊料的性能及互连接头的使用可靠性。本论文以Zn-Sn系中的Zn30Sn无铅焊料为研究基础,通过向其中添加第三组元元素（In和Ge）元素以及可作为增强相的Ag₃Sn纳米颗粒,来改善Zn30Sn焊料的性能,提高焊料互连接头的使用可靠性。论文重点研究了In、Ge元素以及Ag₃Sn纳米颗粒的添加对所研制的高温无铅焊料的微观组织、润湿性、熔点、硬度、互连接头的剪切强度以及焊料与Cu基板互连后界面金属间化合物（IMC）的生长情况的影响规律。研究结果表明,第三组元In、Ge元素的添加能显著降低Zn30Sn合金焊料的熔点,并且在一定程度上改善了焊料的润湿性。当In、Ge元素添加后,由于固溶强化的作用,能大幅度提高焊料的硬度,焊料与Cu基板互连接头的剪切强度也得到增强。对比In与Ge元素的添加对合金焊料的影响效果,可知添加Ge元素在降低焊料熔点、提高焊料润湿性、提高焊料强度以及焊料互连接头的剪切强度等方面的效果优于In元素的添加,对Zn30Sn焊料性能的提高具有更好的作用。Zn30Sn焊料以及分别添加1wt.%的In和Ge的Zn30Sn焊料与Cu基板回流后,在界面均形成了由两层界面金属间化合物构成的界面层。该两层界面IMC在靠近焊料一侧为CuZn₅相,而靠近Cu基板一侧为Cu₅Zn₈相。在150℃等温时效（老化）处理时,随着老化时间的增加,CuZn₅层逐渐变薄,Cu₅Zn₈层逐渐增厚。老化360 h之后,界面处的IMC组成相变成了单一Cu₅Zn₈相,即在经历了一定老化处理后,焊料与Cu基板互连界面处的IMC仅为Cu₅Zn₈相。合金元素In和Ge的添加并未改变焊料与Cu基板界面IMC产物,同时也未对界面IMC的相变产生影响,仅仅固溶于Zn30Sn焊料的β-Sn相中。在对复合焊料的研究中发现,Ag₃Sn纳米颗粒添加入焊料之后,会分布在焊料基体α-Zn相以及界面IMC层中。添加Ag₃Sn纳米颗粒后会使焊料的熔点小幅度升高,但是变化范围很小。添加适量的Ag₃Sn纳米颗粒会提高焊料的润湿性,而Ag₃Sn纳米颗粒添加量过多时,会使焊料润湿性有所下降。添加0.4 wt.%的Ag₃Sn纳米颗粒会抑制焊料与Cu基板互连后界面IMC的生长,在150℃老化不同时间后,焊料与Cu基板互连后界面IMC层的厚度会明显增加,纳米复合焊料界面IMC层的厚度增幅明显要低于未添加纳米颗粒的合金焊料。并且添加Ag₃Sn纳米颗粒均提高了焊料互连接头的剪切强度以及焊料的显微硬度,添加量为0.4 wt.%Ag₃Sn纳米颗粒时,对焊料互连接头剪切强度与硬度提高效果最明显,可知适量Ag₃Sn纳米颗粒的添加能提高焊料互连接头的可靠性。