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采用Sn基钎料低温钎焊铝合金是电子领域亟待解决的关键技术,Al/Sn界面弱结合是其中的关键科学问题。本文基于第一性原理计算和试验,研究并设计界面掺O、Zn、Ag元素所形成的界面结构,阐明氧化物、固溶体/氧化物和金属间化合物过渡层对Al/Sn界面的强化机制,并优化细晶7034铝合金和铝颗粒烧结涂层低温钎焊工艺,实现强度和导电性能良好的接头。Al和Sn原子的sp轨道电子杂化的能量范围大,但是杂化程度较低,Al/Sn界面形成的Al-Sn键主要是金属键,同时又有共价键和离子键的成分,但键合的强度均比较弱,导致Al/Sn界面的分离功仅为1.06J/m2。通过真空压力焊获得了Al/Sn直接结合界面的接头,接头断裂在界面处,抗剪强度仅为20MPa。通过在Al/Sn界面掺O元素形成氧化物过渡层,实现了对Al/Sn界面的强化。气氛中的O原子能够通过三相线进入Al/Sn界面,沿液固界面快速扩散,并与Al反应生成一层Al2O3过渡层。Al、Sn原子的电子与O的电子形成强烈的杂化,既有电子转移也有共用电子,因此Al2O3的O终止面可以和Al、Sn均形成很强的离子-共价键结合,界面的分离功达到5.17J/m2和2.83J/m2。在大气中使用纯Sn钎焊纯Al,界面生成一层几十到几百nm厚的Al2O3中间层,接头的抗剪强度提高到约40MPa。进一步通过较长超声和保温时间,界面析出大量八面体初晶Al,增大了实际界面面积和机械咬合作用,使Al/O/Sn界面接头的抗拉强度提高到63MPa。通过在Al/Sn界面同时掺Zn和O元素形成固溶体/氧化物过渡层,实现了对Al/Sn界面的进一步强化。掺入界面的Zn与Al原子之间形成典型的金属键结合。而Zn和Sn原子形成金属-共价混合键。Zn与Al、Sn之间的界面分离功分别为1.49J/m2和1.45J/m2。Al/Zn/Sn接头断裂在钎缝或者母材中,接头的强度系数达到100%。另外,在大气中使用Sn Zn钎料钎焊铝,界面结构转变为Al/Al Zn（Sn）/Al2O3/Sn Zn,钎缝中的Zn元素会自发向Sn Zn/Al2O3界面偏聚。Zn富集层与Al2O3的Al终止面可以形成很强的金属-共价键,界面分离功可以达到2.25J/m2,由于界面形成Zn-Al键主要是金属键,可以显著强化界面,因此,Zn与Al终止面形成结合。基于O和Zn元素的复合强化,提出使用Sn-Zn钎料在大气环境下低温超声钎焊1060铝合金,得到了高强度的界面结合,接头断裂在钎缝中,接头的强度系数达到100%。提出使用亚共晶Sn-4Zn钎料在大气环境下钎焊细晶7034铝合金,界面生成氧化铝中间层,接头断裂在钎缝中的β-Sn和Sn-Zn共晶相中,接头抗拉强度高达201MPa。基于Zn和Al能够形成很强的金属键结合,提出使用纯Zn中间层,在超声波的辅助下,利用TLP工艺在400℃焊接细晶7034铝合金。当超声作用60s时,形成完全固溶体接头,接头抗剪强度达到223MPa。此外使用Zn-Al基钎料,在420℃超声钎焊细晶7034铝合金,形成了很强的界面结合,通过延长超声时间和在钎料中添加Cu元素,可以减少钎缝中的共晶相,接头的抗拉强度可达到249MPa。通过在Al/Sn界面掺Ag元素形成金属间化合物过渡层,同时实现了对Al/Sn界面的强化和电性能提升。通过向纯Sn中添加Ag的方式向界面掺杂Ag元素,在界面生成Ag2Al化合物层,化合物层与Al、Sn的界面分离功为5.16J/m2和1.72J/m2。使用Sn Ag钎料超声钎焊1060Al,当超声作用时间和保温时间均比较短的时候,界面形成的化合物中Ag和Al的原子比例约为2:1,接头断裂在Sn Ag和Ag-Al化合物的界面,接头的抗剪强度提高到约30MPa。当延长超声作用时间或者保温时间,化合物中Ag和Al的原子比例下降到约1.6:1。接头断裂在Sn Ag和Ag-Al化合物的界面,接头的抗剪强度提高到约40MPa。基于Ag元素对Al/Sn界面的强化机理,使用无铅Sn-Ag钎料,在超声波辅助下直接钎焊铝背场烧结涂层。超声作用时间为6s时,钎料仅将Al浆料残余层溶解,钎料与Al-Si共晶层结合,接头电阻率较低,剥离强度较高,太阳能电池的开路电压、转换效率和填充因子均高于焊接Ag电极的电池。