Sn-0.7Cu钎料凭借其原料来源丰富、杂质敏感度低、生产成本低廉等优点,广泛应用于现代光子和电子封装领域,但与传统的共晶或近共晶Sn-Pb钎料相比,仍存在较多不足,如流动性差、熔点高、热时效稳、定性差等。为进一步优化Sn-0.7Cu钎料显微组织、提高服役可靠性,可采用以下两种途径进行改性:其一是加入微量元素进行合金化,如Ni、Ge、Nd、Zn等;另一种有效途径就是添加微纳米尺寸增强颗粒,如陶瓷颗粒、氧化物颗粒、纳米管等。本课题采用机械混合法制备Ni含量分别为0.025 wt.%、0.05 wt.%、0.1 wt.%、0.2wt.%、0.4 wt.%的Sn-0.7Cu-xNi复合钎料。系统研究了Ni含量对Cu/Sn-0.7Cu-xNi/Cu焊点凝固行为、基体组织、界面金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMC)层、工艺性能(铺展性能)及力学性能(显微硬度、拉伸性能及断口形貌)的影响规律,得出了Ni的最佳添加量为0.05 wt.%。然后对Cu/Sn-0.7Cu/Cu及Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu两种焊点进行热时效处理,研究时效过程中界面形态与力学性能的演变规律。最后,构建了基体钎料中H型IMC颗粒及焊点界面IMC层的生长动力学方程。研究了Cu/Sn-0.7Cu-(0-0.4)Ni/Cu焊点基体组织、界面IMC层和性能的影响规律。Sn-0.7Cu-(0.025-0.2)Ni钎料中各相凝固析出行为与Sn-0.7Cu相似,无明显变化;0.4 wt.%Ni颗粒的添加不仅改变了各相的析出行为,还产生了新相Ni3Sn4。适量Ni颗粒的加入可使钎料基体获得弥散分布的细小点状(Cu、Ni)6Sn5 IMC颗粒,当Ni含量从0.1 wt.%增加至0.4 wt.%时,点状IMC数量不断减少,取而代之的是呈粗大棒状的IMC颗粒。Cu/Sn-0.7Cu-(0-0.05)Ni/Cu焊点中IMC层呈致密平整扇状,且厚度较薄。当Ni添加量为0.05 wt.%Ni时,钎料铺展性能最好,光亮度最佳,表面呈银白色金属光泽;在弥散强化和细晶强化的双重作用下,获得了最大显微硬度数值,为15.32 Hv;钎料基体中弥散分布的点状IMC颗粒作为第二相质点,阻碍了位错的萌生与扩展,使Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu焊点获得最佳抗拉性能,拉伸断口表面存在大量韧窝,为韧性断裂。Ni颗粒最佳添加量为0.05 wt.%。研究了时效温度对Cu/Sn-0.7Cu/Cu和Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu焊点中组织和力学性能的影响。热时效后钎料基体中IMC形态主要有H型、E型、U型、棒型、点型、杆型及块型;时效温度对H型(Cu、Ni)6Sn5 IMC形貌无显著影响,但尺寸随时效温度提高而不断增加。在时效过程中,Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu焊点中界面IMC层直接由焊后扇贝状转为层状结构,未出现Cu/Sn-0.7Cu/Cu焊点在60~140℃时效温度下凹凸不平的锯齿状形貌,且Kirkendall孔洞和微裂纹数量及尺寸均较少,获得了较佳界面形貌;相比于Cu/Sn-0.7Cu/Cu焊点,Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu在同一时效温度下的界面层厚度较薄,表现出较好的热时效增长稳定性。随时效温度增加,两种焊点中钎料基体显微硬度均呈下降趋势,经60℃时效后,显微硬度下降比较显著,进一步增加温度,显微硬度略有降低。两种焊点抗拉强度和延伸长度均随时效温度增加而呈下降趋势;且均随时效温度的增加由塑形断裂转为脆性断裂,断裂位置也由钎料基体转移至solder/IMC层结合界面处,但同一时效温度下,Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu表现出较好的韧性行为。研究了等温时效中Cu/Sn-0.7Cu/Cu和Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu焊点组织和力学性能的演变规律。随时效时间增加,基体中H型形貌未发生显著变化,但尺寸不断长大,呈先缓慢生长再快速长大趋势。两种焊点中界面IMC层厚度均出现不断增大现象,但Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu焊点层厚度增长比较缓慢,这是因为适量Ni颗粒的添加可阻缓焊点中Sn和Cu原子扩散,抑制热时效中界面IMC层过快长大行为,并有效阻碍了孔洞和裂纹的萌生与扩展;Cu/Sn-0.7Cu/Cu界面IMC层首先由焊后较薄扇贝状转变为针状并部分刺入基体内部,最后转为较平整层状,而Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu直接由焊后扇贝状转为能量最低的紧密层状,表现出较好的热时效稳定性。焊点力学性能随时效时间增加而不断恶化,但同一时效时间下,Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu获得了较好的抗拉性能,延伸长度的下降趋势也得到有效抑制;断裂机制由焊后及短时间时效(0-200h)的韧性断裂转为400h时效下的脆性断裂;适量Ni颗粒的添加可使焊点在具有较好抗拉性能的同时仍保持较优异的韧性性能。Cu/Sn-0.7Cu/Cu及Cu/Sn-0.7Cu-0.05Ni/Cu焊点中界面IMC层生长激活能分别为23.42kJ/mol和69.56kJ/mol。