本研究由大连理工大学材料科学与工程学院的Junda Zhang、Chenyu Li、Chongyan Wang、Jingli Ke、Yunpeng Wang及Haitao Ma等人完成，发表于*Journal of Materials Science: Materials in Electronics*（2026年第37卷，文章编号1842）。研究聚焦于低温电子封装用Sn58Bi焊料的可靠性提升问题。Sn58Bi共晶焊料因其约138°C的低熔点，可有效降低回流焊过程中因热膨胀系数（coefficient of thermal expansion, CTE）失配引起的基板翘曲风险，在先进封装中具有显著优势。然而，该焊料的本征脆性Bi-rich相（富铋相）粗化以及焊料/Cu界面处Cu–Sn金属间化合物（intermetallic compound, IMC）的过度生长，会严重削弱焊点的界面结合与剪切强度，限制了其工程应用。为此，本研究提出采用化学镀银工艺制备银包覆氧化锌（ZnO@Ag）核壳结构纳米颗粒作为增强相，并通过球磨法制备Sn58Bi-xZnO@Ag（x = 0、0.3、0.5、0.7、1.0 wt.%）复合焊料，系统考察ZnO@Ag添加量对焊点润湿性、基体组织、界面IMC生长以及剪切性能的影响。

在实验流程方面，研究包含四个主要环节。首先是ZnO@Ag纳米颗粒的制备。采用平均粒径为50±10 nm的ZnO纳米颗粒为原料，通过包括敏化、活化、化学镀及后处理在内的化学镀银工艺进行表面金属化。其中，敏化采用20 g/L的SnCl₂溶液处理20分钟，活化在2 g/L的Tollens试剂中进行20分钟，以在ZnO表面形成初始Ag形核点；随后在含PVP（5 g/L）的Tollens试剂（10 g/L）中，以16.6 g/L的KNaC₄H₄O₆溶液为温和还原剂，在25°C下反应1小时，最终获得Ag壳厚度约为5–7 nm的ZnO@Ag纳米颗粒。为确认Ag包覆层的成功形成，研究采用场发射扫描电子显微镜（SEM）结合能谱（EDS）分析了元素分布，结果表明Zn、O、Ag分布区域高度重叠；高分辨透射电子显微镜（HRTEM）及选区电子衍射（SAED）结果显示，Ag的（200）与（111）晶面间距0.206 nm和0.239 nm以及ZnO的（002）晶面间距0.261 nm共存，直接证实了核壳结构的紧密界面结合。

其次是复合焊料的制备。将ZnO@Ag纳米颗粒按不同质量分数（0.3、0.5、0.7、1.0 wt.%）与粒径25–45 μm的Sn58Bi焊料粉末混合。为保证分散均匀，纳米颗粒先在无水乙醇中超声分散20分钟，再进行球磨，球磨参数为球料比10:1、转速150 r/min、时长2小时，每10分钟暂停并反转方向，持续5分钟。球磨后的复合粉末经真空抽滤并在50°C下干燥1小时。SEM观察显示，复合焊料粉末保持球形形貌，无明显塑性变形，且Zn和Ag的EDS信号均匀分布于焊料颗粒表面，未出现大规模团聚。随后，将复合焊料与商用助焊剂按9:1的质量比混合制成焊膏，印刷至Cu基板上，采用峰值温度180°C、回流时间80秒的温度曲线进行回流焊，制备Cu/Sn58Bi-xZnO@Ag/Cu搭接剪切试样，搭接面积为3 mm×10 mm，间隙由钛丝控制为200 μm。

第三是性能测试与微观结构表征。润湿角采用SDC-350润湿角测量仪测量，每组成分至少测量5次并取平均值。焊点截面经研磨、抛光后，利用SEM观察基体组织及界面IMC生长情况；每组复合焊料的界面IMC层厚度至少在5个独立区域测量。对Bi-rich相区域尺寸分布及等效圆直径（equivalent circular diameter, ECD）的统计基于至少5张独立SEM背散射电子图像，借助ImageJ软件完成。为了观察界面IMC晶粒的顶视形貌，焊点经10 vol%硝酸溶液腐蚀后进行SEM表征。IMC层平均厚度依据公式h = S/L计算，其中S为IMC层面积，L为IMC层长度。剪切测试在多功能拉伸压缩试验机上以1 mm/min的剪切速率进行，剪切强度按τ = F_max/S计算，每组成分至少记录5次测量值。所有定量结果以平均值±标准差表示，并采用单因素方差分析（ANOVA）评估ZnO@Ag含量对剪切强度的影响，显著性水平设定为p < 0.05。

最后是断裂行为分析。对剪切断裂后的断口形貌进行低倍和高倍SEM观察，并结合EDS对断口特征区域进行成分分析，以揭示断裂模式的演变规律。

在结果方面，研究发现ZnO@Ag添加量为0.3 wt.%时综合性能最优。润湿性测试表明，随着纳米颗粒含量增加，润湿角先减小后增大。未增强Sn58Bi的润湿角为39.18°，而Sn58Bi-0.3ZnO@Ag的润湿角降至36.32°，下降幅度为7.3%；进一步增加纳米颗粒含量时，润湿角回升至38.40°，这归因于过量纳米颗粒因高比表面能发生团聚，形成阻碍熔融焊料铺展的物理屏障。基体组织方面，不含纳米颗粒的Sn58Bi中Bi-rich相呈较粗大且部分连续的形貌。添加0.3 wt.% ZnO@Ag后，细小Bi-rich相区域（0.1 < A ≤ 1 μm²）的数量分数达31.78%，粗大Bi-rich相区域（A > 20 μm²）的面积分数从74.73%降至61.64%；Bi-rich相区域的ECD由2.607±0.107 μm减小至2.094±0.114 μm，降幅约19.68%，表明基体细化效果最为显著。EDS面扫显示Ag分布于Sn相区域而几乎不存在于Bi-rich相区域，说明Ag壳在回流过程中与熔融Sn发生局部反应；Zn则均匀分布，表明ZnO核在基体中分散良好。界面反应方面，未增强Sn58Bi/Cu的界面IMC平均厚度为0.85 μm，Sn58Bi-0.3ZnO@Ag/Cu的IMC厚度降至0.67 μm，减薄约21.2%。添加量为0.5、0.7、1.0 wt.%时，IMC厚度分别回升至0.79、0.78、0.75 μm。顶视形貌显示，添加纳米颗粒后IMC晶粒显著细化，这主要归因于ZnO@Ag作为异质形核点提高Cu₆Sn₅形核率，以及纳米颗粒在Cu₆Sn₅晶粒凸起处和晶界处优先聚集，降低局部界面自由能和临界形核势垒。剪切性能方面，未增强焊点的平均剪切强度为51.49 MPa，0.3 wt.% ZnO@Ag添加量下达到最高值69.62 MPa，提升35.2%；继续增加添加量至0.5、0.7、1.0 wt.%时，剪切强度分别降至61.37、55.88、52.56 MPa，但仍高于未增强焊点。ANOVA分析表明ZnO@Ag含量对焊点剪切强度具有统计学显著影响（F(4, 20) = 37.02, p < 0.05）。断口分析显示，未增强焊点为以脆性失效为主的韧脆混合断裂；0.3 wt.%添加量下断口呈现大面积塑性滑移台阶与撕裂棱，表现为典型韧性断裂特征；过量添加时，塑性变形区域减少，准解理特征增多，断裂模式退化回脆性主导的韧脆混合断裂。

本研究成功制备了Ag壳厚约5–7 nm的ZnO@Ag核壳纳米颗粒，并确定0.3 wt.%为最佳添加量。性能提升归因于ZnO@Ag的协同强化机制：ZnO核提供异质形核位点、晶界钉扎和界面扩散阻挡作用，Ag壳改善ZnO与焊料基体的相容性，同时回流过程中形成的细小含Ag反应产物进一步细化组织并强化界面。该研究为高可靠性低温无铅复合焊料的设计提供了参考，具有明确的科学意义和应用价值。研究的主要亮点在于：采用表面金属化策略解决了裸ZnO纳米颗粒与熔融Sn–Bi焊料润湿性差、易团聚的问题；系统建立了从纳米颗粒制备、复合焊料制备到性能评价与断口分析的完整研究链条；明确了ZnO@Ag添加量与组织、界面和力学性能之间的非单调关系，并揭示了过量添加导致性能下降的微观机制。值得注意的是，本文仅限于回流态条件下的性能评价，长期时效条件下的可靠性仍需进一步系统研究。