表面封装技术是当今最先进的电子产品组装技术。随着电子产品向小型化、轻量化、高精度及高可靠性的方向发展，电子产品对钎料性能提出了越来越高的要求。目前，由于有毒铅元素所导致的环境危害和健康问题日益突出，各国已全面禁止含铅钎料的电子产品进入市场，也对无铅钎料的发展提出了迫切的要求。　　 颗粒增强复合钎料是改善钎料性能的有效方法之一。在钎料中加入外加增强颗粒形成的颗粒增强复合钎料，不仅可以保持原有基体钎料优良的物理性能和工艺性能，而且可以改善钎料的力学性能，尤其是抗蠕变性能和抗热疲劳性能。　　 许多研究机构已对无铅复合钎料进行了一定的研究，但针对不同增强颗粒尺寸、含量和工艺条件对无铅复合钎料钎焊接头力学性能影响的研究相对较少。此外，现有的微米级增强颗粒在复合钎料制备和服役的过程中容易粗化而影响其可靠性，因此，具有高性能的新型无铅复合钎料也是研究的重点之一。　　 基于以上原因，本研究选用比较有应用前景的Sn-3.5Ag共晶钎料作为基体，微米级Cu、Ni颗粒作为增强相外加到基体钎料中制成复合钎料。本研究针对不同微米级Cu、Ni增强颗粒尺寸、含量对复合钎料钎焊接头剪切强度和蠕变断裂寿命的影响展开试验，从而确定了增强颗粒的最佳配比和含量。本研究还分析了不同工艺条件对复合钎料钎焊接头剪切强度的影响，建立了强化相尺寸和复合钎料钎焊接头剪切强度的尺寸效应公式，并采用剪切断裂试验和有限元软件分析了不同尺寸强化相颗粒对复合钎料内裂纹扩展的影响。此外，为了解决上述传统复合钎料制备和服役中增强颗粒容易粗化的问题，本课题选用三种不同类型具有纳米结构的有机-无机笼型硅氧烷齐聚物（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane，简称POSS）作为增强颗粒外加到Sn-3.5Ag共晶钎料中制成复合钎料。本研究所采用的POSS增强颗粒分别为苯基三硅醇倍半硅氧烷（POSS-TriSilanolPhenyl，简称POSS1），环己基三硅醇倍半硅氧烷（POSS-TriSilanolCyclohexyl，简称POSS2）和异丁基三硅醇倍半硅氧烷（POSS-TriSilanolIsobutyl，简称POSS3）。本论文研究了具有纳米结构POSS颗粒对复合钎料钎焊接头剪切强度、蠕变断裂寿命、显微硬度以及抗热疲劳性能的影响，并采用多种试验分析了具有纳米结构POSS2颗粒的强化机理。　　 根据力学剪切强度和蠕变断裂寿命测试的结果，Sn-Ag+Cu(3～5μm)复合钎料和Sn-Ag+Ni(2～3μm)复合钎料钎焊接头具有最优的力学性能。增强颗粒的体积分数对复合钎料钎焊接头的力学性能也有影响。对于Cu、Ni颗粒增强复合钎料而言，颗粒的最佳含量均为5vol.％。　　 在不同的工艺条件下获得的一系列复合钎料内强化相尺寸对钎焊接头的剪切强度产生了一定的影响。尺寸效应公式反映了复合钎料钎焊接头剪切强度与强化相尺寸和颗粒含量间的关系。研究发现，当增强颗粒添加量较高时，复合钎料的尺寸效应并不是很明显。此外，在相同的颗粒添加量下，Ni颗粒增强复合钎料的尺寸效应常数均小于Cu颗粒增强复合钎料，这说明Ni颗粒增强复合钎料钎焊接头的剪切强度受强化相尺寸影响较小。　　 通过剪切断裂试验和有限元分析结果发现，当遇到尺寸较小的强化相时，裂纹倾向于穿过小尺寸强化相，颗粒可以起到很好地阻碍裂纹扩展的作用；当裂纹遇到尺寸较大的强化相时，较大尺寸强化相颗粒周围的厚金属间化合物层会吸收大部分的剪切应力，形成一定的应力集中，从而更易发生开裂，也更易为裂纹扩展提供路径，裂纹会沿着金属间化合物层与基体钎料的结合界面层扩展而绕过颗粒继续前行。　　 综合力学剪切强度、蠕变断裂寿命和显微硬度，以及铺展工艺性能测试的结果，与其他含量POSS颗粒增强复合钎料相比，Sn-Ag+2wt.％POSS1、Sn-Ag+3wt.％POSS2和Sn-Ag+2wt.％POSS3复合钎料表现出更好的综合性能，而Sn-Ag+3wt.％POSS2复合钎料钎焊接头具有最优的性能。　　 通过差热分析试验，Sn-Ag+3wt.％POSS2复合钎料在冷却过程中具有更高的表观活化能值，这说明POSS2颗粒可能主要存在于Sn晶粒的晶界处。Sn-Ag+3wt.％POSS2复合钎料内Ag3Sn金属间化合物的尺寸和金属间化合物的间距明显减小。在时效的过程中，与Sn-3.5Ag共晶钎料相比，Sn-Ag+3wt.％POSS2复合钎料界面层和Ag3Sn金属间化合物具有更高的层增长激活能，其增长得到了明显地抑制。　　 对于Sn-3.5Ag共晶钎料钎焊接头而言，热疲劳损伤裂纹主要产生于钎料与基板间的界面层，随着热疲劳周期的延长，热疲劳裂纹会不断累积并呈45°向钎料内部延伸。Sn-Ag+3wt.％POSS2复合钎料钎焊接头在热疲劳过程中的表面损伤主要存在于界面处，而且随着热疲劳的延长会在界面处不断累积，并不会向钎料内部延伸。这说明，POSS2颗粒和Ag3Sn金属间化合物起到了很好地阻挡层的作用，阻止热疲劳裂纹向钎料内部扩展。