随着全球环保意识的增强,欧盟等国际社会强烈禁止铅在电子工业中的应用。在诸多的无铅钎料中,SnAgCu以其优越的性能被认为是在电子行业中替代传统SnPb钎料的最佳替代品。但是SnAgCu焊点也有其自身的缺点,例如大块脆性金属间化合物形成,抗蠕变性能较低等。另外随着电子器件向细间距高密度方向发展,无疑对SnAgCu焊点的可靠性要求也越来越高。稀土元素被称为金属材料的“维他命”,意味着微量的稀土元素可以显著的改善金属材料的性能。因此选择稀土元素Ce添加到SnAgCu钎料中,研究SnAgCu/SnAgCuCe在特定的载荷作用下的性能及组织演化规律,并对钎料本构方程、焊点疲劳寿命及失效机制进行深入的探讨和分析。研究了QFP256器件SnAgCu/SnAgCuCe焊点力学性能,发现稀土元素Ce的加入可以提高焊点的力学性能,稀土元素的添加可以使SnAgCu焊点拉伸力提高近12.7%。稀土元素的添加细化SnAgCu基体组织,同时减小金属间化合物颗粒（Cu₆Sn₅和Ag₃Sn）的尺寸,这是SnAgCu焊点力学性能提高的主要原因。金属间化合物颗粒（Cu₆Sn₅、Ag₃Sn和CeSn₃）是在SnAgCuCe焊点凝固的过程中析出的,析出的颗粒无疑会对焊点产生强化作用。发现在相同的温度载荷作用下,SnAgCuCe焊点界面层的生长速度明显小于SnAgCu焊点。对界面生长动力学研究发现SnAgCu的粗化通量是SnAgCuCe的2.1倍,说明SnAgCu界面发生粗化程度要高于SnAgCuCe界面。相对时效过程,热循环过程中焊点金属间化合物层的厚度和生长速度明显较高,主要是由于材料之间线膨胀系数失配导致的焊点界面剪切应力,从而有利于Cu原子的扩散和金属间化合物的生长。另外,在两种温度载荷加载过程中,均发现了稀土元素Ce对金属间化合物总厚度,Cu₆Sn₅和Cu3Sn生长具有明显的抑制作用。采用单轴拉伸的方法,研究了SnAgCu/SnAgCuCe两种材料的粘塑性本构方程。发现Anand本构方程能够很好地描述SnAgCu/SnAgCuCe焊点的应力应变响应。编写本构方程以及时间加载子程序,引入有限元模拟,发现SnAgCuCe焊点的可靠性明显高于SnAgCu焊点。基于Anand本构方程,对不同焊点高度进行有限元模拟,发现焊点高度对焊点可靠性有明显的影响。同时焊点高度较小时,焊点拉伸断裂发生在焊点界面附近区域,断口表面的韧窝内有明显的第二相颗粒的存在;焊点高度较大时,焊点断裂发生在焊点内部,在尺寸较大的韧窝内没有发现明显的第二相颗粒,这主要是由于在拉伸断裂的过程中,该韧窝出现在β-Sn区域。研究SnAgCu/SnAgCuCe两种无铅钎料的Dorn和Garofalo-Arrhhenius蠕变模型。发现SnAgCuCe钎料的蠕变激活能明显高于SnAgCu钎料。对比SnAgCu/SnAgCuCe两种无铅钎料,发现SnAgCuCe的抗蠕变能力明显高于SnAgCu。两种钎料的蠕变行为在较高应力下,位错蠕变是无铅钎料的主要蠕变机制,包括位错攀移和克服能量势垒,在较低应力下,晶格扩散是无铅钎料的主要蠕变机制,包括间隙原子的扩散和迁移,以及晶格空位在晶粒边界的扩散和迁移,同时在各种应力水平下,以上蠕变机制均伴随着晶粒边界滑移。SnAgCuCe钎料的优越性主要体现在纳米Ag₃Sn颗粒弥散分布在钎料基体内部,同时发现在晶界上析出CeSn₃颗粒。通过焊点拉伸力的变化,测定SnAgCu焊点的寿命为1158次,而SnAgCuCe焊点的疲劳寿命为1304.6次,发现焊后SnAgCu/SnAgCuCe断口均呈现明显的塑性型断裂特征,同时第二相颗粒均匀地分布在断口表面,而对于1500次循环后因为大块脆性相的形成导致两种焊点的断裂机制均为脆性断裂。对焊点寿命进行Weibull计算,发现SnAgCu焊点寿命为1150次,而SnAgCuCe焊点寿命为1290次,数据和基于拉伸力的变化测得的试验结果较为接近。对于该测试数据分析发现稀土元素的添加对SnAgCu焊点疲劳寿命提高近12.17%,而基于拉伸力的测试结果稀土元素的提高程度为12.66%。结合试验疲劳寿命数据及三种本构方程的模拟结果,计算焊点疲劳寿命方程参数,发现SnAgCu/SnAgCuCe两种焊点基于塑性应变的参数2ε′f分别为:0.514和0.486,指数c均为-0.5708,基于蠕变应变的参数C′分别为0.241、0.256、0.261和0.267,而基于蠕变应变能密度的参数W′分别为0.00391、0.00723、0.00387和0.00697。通过热循环试验,发现QFP器件SnAgCuCe焊点内部出现裂纹,该裂纹的出现和焊点内部大块的金属间化合物Cu₆Sn₅有密切的关系,焊点裂纹的起始于焊点的前脚。因金属间化合物的分布不同裂纹呈现线状、曲线状和网状等形式。通过有限元模拟,基于Garofalo-Arrheninus蠕变本构方程,模拟焊点的蠕变应变云图,发现在热循环过程中蠕变应变呈现阶梯状增加,最大蠕变应变集中在焊点的前脚处。在热循环进一步加载的过程中,焊点内部的部分裂纹会延伸到焊点界面处,导致界面失效。界面裂纹主要集中在Cu₆Sn₅/Cu3Sn的交界处,同时在界面处发现了大块的Ag₃Sn相,该相主要依附在Cu₆Sn₅相生长。通过纳米压痕方法研究界面Cu₆Sn₅、Cu3Sn、Ag₃Sn和β-Sn四相的弹性模量和硬度,在对应的压痕中,仅有Cu₆Sn₅压痕表面出现了裂纹。发现Cu₆Sn₅的硬度最高,Cu3Sn次之,两种Cu-Sn相的硬度均远高于Ag₃Sn和β-Sn。在热循环的情况下,焊点内部Cu₆Sn₅颗粒尺寸随着循环次数的增加逐渐递增,颗粒分布具有一定的规律性,对焊点进行拉伸测试,发现焊点抗拉强度变化幅值和Cu₆Sn₅颗粒直径变化幅值的平方根成线性关系:ΔP = 3 0.285Δd12+ 10.15。对焊点内部Cu₆Sn₅颗粒的形态进行研究,发现颗粒以杆状、块状、点状、叉状等形态存在。颗粒在热循环过程中Ag₃Sn的尺寸几乎没有变化,而Cu₆Sn₅小颗粒逐渐消失,大颗粒逐渐增大。另外研究发现Cu₆Sn₅颗粒长大动力学指数为3.2,颗粒长大主要受控于体扩散。对焊点内部组织进行有限元模拟,发现在Sn基体中应力较小,而在Cu₆Sn₅和Sn基体的交界处应力较大,颗粒聚集的区域是应力较为集中的区域。这主要是由于Cu₆Sn₅和Sn基体两者之间的线膨胀系数差异较大造成的。