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随着全球众多国家相继制定了限制焊料合金中使用铅等有害元素的法规,Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)三元合金因其优异的可焊性、润湿性及机械性能逐渐取代了传统含铅焊料,成为了应用最为普遍的焊料合金。然而值得注意的是在海洋或工业污染大气环境中,无铅焊料合金仍面临着严重的环境适应性问题,频繁发生腐蚀失效。其中电化学迁移是焊料合金在服役过程中最为重要的失效形式之一。因此研究SAC305焊料合金电化学迁移失效机制及防护方法对于提高电子装置可靠性,延长服役寿命具有重要意义。本文以SAC305焊料为研究对象,首先研究了其电子结构和微观结构特点,阐述了金属间化合物(IMCs)对SAC305腐蚀行为影响机制。随后搭建了高精度薄液膜厚度控制装置,系统研究了氯离子浓度、偏压等环境因素对SAC305合金电化学迁移过程的影响机理,明确了枝晶成分,确定了电化学迁移过程中发生迁移的元素种类;进一步通过偏压下电极电位表征,明晰了发生电化学迁移过程的临界偏压和相应阴阳极的电极反应。最后本文从涂层防护和合金成分调控两方面探究了电化学迁移防护方法,以期为电子元器件的可靠运行和防护提供保障。结果表明SAC305合金主要是Sn发生点蚀,弥散分布在共晶相中的Cu6Sn5和Ag3Sn未见明显腐蚀,且共晶相区Sn点蚀深度更大,这主要与焊料合金的电子结构和微观结构有关。电子结构方面,Cu6Sn5和Ag3Sn较Sn具有更高的伏打电位,会与Sn形成腐蚀电偶,促进Sn腐蚀;另一方面态密度分布曲线也表明动力学上Sn较IMCs更易发生电荷转移,因此IMCs能够加速Sn的腐蚀。微观结构方面,共晶相的晶粒尺寸较β-Sn相细小,高角晶界含量更高,由于细小晶粒和高角晶界具有更高的表面反应能,更易发生腐蚀,因而共晶相区Sn点蚀深度更大。氯离子浓度较低时,电化学迁移过程形成的枝晶短小;随着氯化钠浓度升高,枝晶变得更长和粗壮,显示出更多侧枝。氯化钠浓度达到200 mM时,枝晶又显示出细长的微观形貌,这主要与两极板间堆积物的阻挡作用有关。30 mM氯化钠环境下,电化学迁移短路时间最长,主要是因为在中等浓度含氯薄液膜环境下,较多的锡氧化物或氢氧化物堆积在极板间,类似“墙”一样,阻挡了金属离子向阴极的迁移过程,因而短路失效时间最长。SAC305合金在氯化钠环境中,元素Ag和Cu未发生电化学迁移现象,Sn是唯一迁移元素。就偏压对电化学迁移过程的影响而言,在含30 mM NaCl薄液膜(300 μm)中,偏压低于0.5 V时,试样表面形成致密钝化膜,无枝晶产生。偏压达到0.75 V时,试样发生轻微腐蚀,仅在两极板间形成腐蚀产物,无枝晶生长现象。偏压大于1V时,试样发生点蚀,极板间堆积有较多的腐蚀产物,伴随明显的枝晶生长。就电极反应而言,偏压小于1.5 V时,阳极板电极电位较低,阳极反应极化阻力大,此时阴极反应主要为氧的还原过程。当偏压达到1.5 V时,阳极电位增加,阳极反应速率加快,阳极过程不再是电化学反应限制步骤。此时阴极电位较负,逐渐发生析氢反应。磁控溅射沉积的Al2O3,TiO2和ZrO2无机涂层具有较为致密的微观结构。三种涂层均能改善SAC305合金的电化学迁移敏感性,延长短路失效时间。其中TiO2薄膜具有最为优异的保护性能,ZrO2次之,这主要与电化学迁移实验过程中阴阳极区的局部微环境(强碱性和强酸性)有关。磁控溅射薄膜沉积法具有操作简便,易于实施,经济和效果好的特点。Nd显著降低了 SAC305凝固过程所需的过冷度,由29.8℃(SAC305)降低至了 1.5℃(SAC305-0.05Nd)。电化学测试结果显示Nd改善了焊料合金的钝化行为以及伪钝化区试样表面氧化膜层的保护性能。其中0.05 wt.%Nd对焊料合金耐腐蚀性能的改善效果最为显著。Nd对焊料合金腐蚀行为的影响主要体现在两个方面:一是添加的稀土元素Nd降低了焊料合金中IMCs与基体Sn之间的电位差,电偶腐蚀敏感性降低。然而值得注意的是,当Nd的添加量达到0.25 wt.%时,合金中析出大量的NdSn3相,其伏打电位远低于Sn基体,电位差达130 mV,因而在电解质溶液中,NdSn3相与基体构成腐蚀电偶,仍会导致严重的局部腐蚀现象。另一方面与SAC305合金相比,加入稀土元素Nd后,焊料合金表面氧化膜层中SnO2含量由67.07%提高到了 80.08%,改善了氧化膜层稳定性,进而提高了氧化膜层对基体的保护性能。