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随着电子封装技术的迅速发展及无铅化工程的实施,无铅钎料研究、开发和使用已成为当前电子封装钎焊技术领域的重要课题。从目前无铅钎料的发展趋势看,有两个方向受到研究者关注。一是无铅钎料的多组元合金化,即以现有的Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Zn或者Sn-Bi等无铅钎料为基础,在其中添加多组元合金元素,以增加组元的方式来改善钎料的性能；另一个方向则是复合无铅钎料的研究和探索,主要是以Sn基或者Sn-Ag、Sn-Cu、Sn-Bi基等无铅钎料为基础,通过添加第二相增强颗粒的方式来制备复合无铅钎料,期望进一步改善、提高现有无铅钎料的性能和其钎焊接头可靠性以及进一步拓宽无铅钎料种类和应用领域。本论文主要针对第二个研究方向,进行粒子增强的几种Sn基复合无铅钎料的探索研究。在复合无铅钎料的成分设计上是以Sn为基,钎料体系是应用范围广阔的Sn-Ag-Cu、Sn-Bi合金。选择与钎料合金基体结合较好的Fe粉、与钎料合金基体结合较弱的Cu6Sn5和与基体结合较差的Y2O3、Al2O3氧化物颗粒作为复合无铅钎料增强颗粒或增强体。采用机械搅拌方法将设计好的钎料基体粉体、增强颗粒或增强体以及助焊剂均匀混合制备成复合钎料焊膏。在复合无铅钎料制备的基础上,本论文还重点对所研制的复合无铅钎料熔点、润湿性、微观组织、力学性能、钎焊接头界面IMC生长行为及其影响机制进行分析与探讨。研究工作的主要结论如下：1、单质Fe粉增强的Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料：Fe粉颗粒的添加对Sn-3Ag-0.5Cu的熔点影响不大,但其与Cu基板润湿性稍有降低。在与Cu基板钎焊过程中,Fe粒子与Sn反应生成一层FeSn2相包围着Fe粒子外围；Fe粒子大量沉积于界面处,阻碍了界面处Cu6Sn5金属间化合物的生长,所以界面Cu6Sn5金属间化合物颗粒尺寸变小；另外Fe粉的添加促进钎焊接头基体组织中β-Sn的异质形核,从而细化了基体β-Sn的晶粒尺寸。剪切性能实验结果表明单质Fe粉增强的Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料与Cu基板钎焊接头的剪切强度均有所提高,断口断裂形式仍为韧性断裂。2、Cu6Sn5粉增强的Sn-58Bi复合无铅钎料：通过机械合金化方法制备的Cu6Sn5粉体颗粒添加到Sn-58Bi钎料合金中对其熔点影响不大,与Cu基板的润湿性虽然稍低于Sn-58Bi合金但仍然很优良。在与Cu基板钎焊过程中,Cu6Sn5均匀分布在钎料基体中,细化了富Sn相及其周围富Bi相组织；界面处的Cu6Sn5金属间化合物的厚度略有增加。Cu6Sn5粉体颗粒增强的Sn-58Bi复合无铅钎料钎焊接头的剪切强度有所提高,断裂形式由Sn-58Bi／Cu脆性断裂为主的形式转变为以韧性断裂为主的形式。3、氧化物颗粒(Y2O3,Al2O3)增强的Sn-3Ag-0.5Cu、Sn-58Bi复合无铅钎料：(1)适量微小氧化物颗粒的添加对Sn-3Ag-0.5Cu、Sn-58Bi熔点影响不大,钎焊过程中由于部分氧化物颗粒漂浮于液态焊点钎料表面,使得液态钎料表面被氧化的程度降低,进而导致与Cu基板间润湿性有所提高；在与Cu基板的钎焊过程中,氧化物颗粒均匀分布于钎料基体内,不仅弥散强化基体而且还明显细化基体组织；另外在钎焊和时效过程中钎焊接头界面IMC颗粒生长也得到阻碍。(2)实验结果表明适量微小的氧化物颗粒增强的Sn-3Ag-0.5Cu复合无铅钎料与Cu基板钎焊接头的剪切强度明显提高,断裂形式以韧性断裂为主,部分断裂发生在界面IMC处。(3)在60℃、90℃、120℃时效过程中,Sn-58Bi-xY2O3(x=0,0.5,1,3wt.%)复合钎料钎焊接头界面IMC的生长由扩散机制控制；整个IMC层生长激活能分别为72±5kJ／mol,74±4 kJ／mol,81±5 kJ／mol和81±7 kJ／mol。总之,适量微小的外来颗粒(无论与钎料合金基体结合较好、结合较弱或结合较差)添加到Sn基无铅钎料合金中均可细化钎料合金组织并强化钎料合金,复合无铅钎焊接头剪切强度均有所提高；另外在钎焊和时效过程中钎焊接头界面IMC颗粒的生长也受到阻碍。尽管仍有不少问题,但颗粒增强复合无铅钎料的研究、开发则具有一定的应用前景。