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铝的软钎焊技术在电子封装领域具有广泛应用前景,钎剂辅助下进行直接软钎焊具有周期短、成本低、适应性好等优势,在微电子封装和微波组件制造领域具有很高的应用价值。Sn-Ag和Sn-Zn是最具潜力的低温钎料,已逐渐成为Al低温钎焊领域研究的热点。但是钎焊过程中在无设备辅助和无镀层条件下,Sn基钎料与Al基板相互作用机制尚不清楚,对其服役过程中界面结合可靠性也存在担忧。进一步研究钎焊界面结合机制和组织演变规律,提高接头可靠性仍是目前首先要解决的关键问题。本文以Sn基钎料/铝合金焊点为研究对象,运用扫描电子显微镜（SEM）,X射线衍射仪（XRD）,X射线能谱分析仪（EDS）,透射电子显微镜（TEM）,纳米压痕测试等多种分析和测试手段,对比分析了纯Sn、Sn-Zn、Sn-Ag三种钎料在Al界面的润湿特性,系统研究了Sn基钎料/铝焊点在钎焊过程中的界面结合及其反应机理。在此基础上进一步研究了钎焊过程和时效过程中界面组织演变规律与金属间化合物（IMC）生长动力学,分析了界面结合与组织演变对接头力学性能的影响,并通过原位剪切测试和有限元模拟探讨了不同焊点界面失效机制。对比了不同熔点的各合金在高于各自熔点相同温度时的润湿性,Sn-Zn钎料的润湿时间最小、Sn-Ag钎料润湿力最大,表明Zn元素可以显著降低润湿时间、Ag元素具有改善钎料润湿性的作用。随温度的升高,纯Sn与Sn-Ag钎料润湿时间缩短且润湿力升高,Sn-Zn钎料润湿时间缩短但润湿力降低。Al表面预镀覆Sn-Zn和Sn-Ag后都有不同程度的界面反应,熔融钎料在新产生界面上表面张力降低,润湿力提高,并且润湿时间缩短。镀覆Sn-Zn钎料对润湿力增大作用明显高于Sn-Ag钎料,表明Zn元素对界面反应作用程度要强于Ag元素。Sn/Al界面处元素没有出现明显的富集和平台,Sn-Zn/Al焊点Zn元素在界面处富集,两种焊点界面处均没有出现金属间化合物。在液态钎料的作用下,Al基板出现圆形溶蚀坑,Sn-Zn/Al焊点Al侧的溶蚀坑较Sn/Al更细更深。Sn-Ag/Al焊点界面处存在一层薄的连续Ag2Al化合物层,Al基板的溶蚀形貌与Sn/Al焊点界面类似,IMC形貌呈颗粒状。钎焊过程中,三种焊点Al基板溶蚀后向钎料基体内部扩散达到饱和固溶度,焊点凝固时在Sn晶界处都析出少量细小颗粒状富Al相。Sn/Al、Sn-Zn/Al和Sn-Ag/Al三种界面微观组织分析表明,Al基板和钎料基体之间均有一层纳米级的非晶Al2O3层,非晶层中间夹杂少量纳米晶,非晶层厚度Sn-Zn/Al>Sn/Al>Sn-Ag/Al。非晶层中的O原子主要来源于液态钎料里溶解的O,Zn易被氧化含氧量高,故Sn-Zn/Al界面处的非晶层最厚,达250nm。Sn-Ag/Al焊点中,界面附近的IMC阻挡了O原子向界面处扩散,故界面处非晶层只有5nm。Sn/Al、Sn-Zn/Al液态钎料对Al基板的溶蚀作用随温度的升高和保温时间的延长逐渐加深,Sn元素和Zn元素向Al基板中扩散速率随保温时间的延长逐渐降低。Zn元素在Al晶体中的扩散系数小于Sn元素,但Zn在Al中的饱和固溶度远大于Sn,因此Zn向Al基板中扩散的距离更远。Sn-Ag/Al焊点界面在钎焊过程中IMC厚度逐渐增加,IMC相Ag2Al为六棱柱形,当钎焊温度达到300℃保温1h时,伴随着晶粒长大,IMC呈不连续分布。钎焊过程中,Al元素向钎料基体内部扩散,析出α-Al初生相,在保温过程中向焊点顶部聚集,并且随保温时间的延长和钎焊温度的升高而变大增多。时效过程中,Sn/Al、Sn-Zn/Al焊点界面变化不大,对温度的敏感性较低。Sn-Ag/Al焊点界面的IMC层形貌基本不变,但随着时效温度升高和时效时间延长,IMC层厚度逐渐增加。Sn-Ag/Al焊点液态下IMC的生长呈现抛物线规律,生长过程分为两个阶段:化学反应控制阶段和晶界扩散控制阶段,两个阶段的激活能分别为84.105±2.571 kJ/mol和26.385±3.171 kJ/mol。Sn-Ag/Al焊点固态下IMC的生长也分为化学反应控制和体扩散控制两个阶段,其激活能分别为32.427±3.109 kJ/mol和10.263±1.268 kJ/mol。随时效温度的升高,临界厚度增加同时临界时间减小。固溶型界面接头在钎焊过程随保温时间延长,剪切强度先增高后基本保持不变,接头塑性先升高后降低,Sn/Al接头最大剪切强度54.6MPa,Sn-Zn/Al接头最大剪切强度达到82.5MPa;Sn-Ag/Al化合物型界面在钎焊过程随保温时间的延长剪切强度与接头塑性呈先升高后下降趋势,接头最大剪切强度为48.9MPa。固溶型界面接头时效1000h后强度略有升高但接头塑性降低,化合物型界面接头剪切强度及塑性均降低。钎焊保温时间较短时,断裂发生在钎料/Al基板界面处。随保温时间延长,固溶型界面接头断裂位置向钎料内部近界面处转移。化合物型界面接头随化合物的生长,断裂位置由IMC与Al基板间的Sn层转移至IMC顶端钎料处。固溶型平直界面内部剪切应力分布较为均匀,界面处应力升高并在Al基板中达到最大值。保温时间延长界面为扇贝状时,前沿切应力增大。IMC型界面为平直状时,钎料内部最大切应力出现在IMC与Al基板之间的钎料层中。保温时间延长IMC呈块状时,最大切应力出现在凸块前沿钎料中。断裂行为主要受界面结合强度、钎料强度及钎料内部切应力分布共同影响。