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近年来,随着封装技术的发展,封装趋于集成化、小型化、多功能化和高密度化。3D封装和Sip技术的崛起要求使用低温焊接技术,传统的Sn-Ag系焊料合金已不能满足封装应用的要求,迫切需要开发新型高可靠性低温焊料合金。本文以SnBi基低温焊料合金为基体,添加微量Ag、Cu、Co和Ni元素形成五元SnBi57AgCuCo和SnBi45AgCuNi焊料合金,通过微观组织、热导率、熔化特性、润湿性、力学性能分析测试研究焊料合金的可焊性,并通过分析热作用对微观组织、失效模式和剪切强度的影响以及板级跌落测试研究复合焊点的可靠性,具体研究内容和结论如下:通过添加微量Ag、Cu、Co和Ni元素研究SnBi57AgCuCo和SnBi45AgCuNi焊料合金的熔化特性、导热性和润湿性。试验表明:微量Ag、Cu、Co和Ni元素的添加不会影响SnBi57AgCuCo和SnBi45AgCuNi焊料合金的熔化开始温度,焊料合金中Sn和Bi元素成分在共晶点附近时,微量元素的添加降低SnBi57AgCuCo焊料合金的液相线温度,熔程缩短,Bi元素含量降低导致SnBi45AgCuNi焊料合金的液相线温度升高,熔程增大,微量Ag、Cu等元素的添加使SnBi57AgCuCo焊料合金的热导率略高于Sn42Bi58焊料合金,Bi元素的减少使SnBi45AgCuNi焊料合金的热导率明显提高。微量Ag、Cu、Co和Ni元素的添加降低焊料合金的表面能,SnBi45AgCuNi焊料合金的润湿性能优于SnBi57AgCuCo和Sn42Bi58焊料合金。研究微量Ag、Cu、Co和Ni元素的添加对SnBi57AgCuCo和SnBi45AgCuNi焊料合金微观组织和力学性能的影响,结果表明:添加的微量Ag、Cu、Ni元素在焊料合金中形成金属间相Ag3Sn和Cu6Sn5等作为形核质点提高焊料合金的形核率,在微观组织中形成弥散分布Bi相颗粒的β-Sn相,Bi元素含量的降低,SnBi45AgCuNi焊料合金微观组织中β-Sn相增多和富Bi相颗粒粗大,金属间相的存在细化了β-Sn相中的Bi相颗粒,对焊料合金的力学性能起到细晶强化和弥散强化的作用,微量Co元素固溶于β-Sn相中起到固溶强化的作用,使SnBi57AgCuCo和SnBi45AgCuNi焊料合金的拉伸强度、延伸率和硬度均优于Sn42Bi58共晶焊料合金,且在拉伸断口形貌中观察到韧窝状组织,焊料合金的塑性增强,其断裂均是沿Bi相晶间断裂。通过观察在不同作用下的微观组织变化和失效分析、时效条件下的剪切强度和跌落性能测试,研究SnBi基焊料合金复合焊点的可靠性,结果表明:在100℃等温时效500h热作用下,SnBi57AgCuCo、SnBi45AgCuNi和Sn42Bi58三种焊料合金焊点的微观组织中Bi相均发生明显地扩散聚集,形成粗大的块状Bi相,染色试验表明Bi相的聚集使焊点强度减弱。在温度循环条件下,三种焊料合金焊点微观组织中Bi相也随着循环次数增加逐渐聚集,焊点强度逐渐减弱。添加微量Ag、Cu、Co和Ni元素改善的SnBi57AgCuCo和SnBi45AgCuNi焊料合金的剪切强度比Sn42Bi58焊料合金的剪切强度明显提高,在100℃时效250h时焊点的剪切强度增加,然后随着时效时间增加焊点的剪切强度减小。根据板级跌落测试结果,SnBi57AgCuCo和SnBi45AgCuNi焊料合金的跌落性能与Sn42Bi58基体合金相比显著提高,复合焊点的失效位置位于BGA芯片最外侧拐角处,焊点中存在的孔洞是微裂纹萌生和扩展的主要路径,失效裂纹倾向于向孔洞和金属间化合物处扩展。