随着异质集成技术的发展，不同材料、尺寸和功能的芯片在三维空间内的模块化集成与系统级组装已成为先进封装领域的核心理念[[1], [2], [3]]。然而，不同材料的共存必然会在热连接过程中产生更大的热机械不匹配应力，从而导致芯片变形，影响对齐精度，进而提升芯片级组装的热敏感性[4,5]。因此，降低连接温度成为确保先进封装可靠性的关键策略。
在过去的二十年里，以Sn-Ag-Cu为代表的无铅焊料因其成熟的加工工艺、良好的性能以及在实际应用中的可靠性，成为了电子封装领域的主流连接材料[6]。尽管这类焊料被广泛使用，但由于其重熔温度较高，大约在240-280℃之间[7,8]，会给电子器件带来较大的热负荷，尤其是那些包含热敏感元件及不同材质的器件。相比之下，低熔点的Sn-Bi焊料可在140℃下实现重熔，同时还具备较高的机械强度和成本优势，因此成为低温连接的理想选择[[9], [10], [11]]。不过，其固有的脆性仍是制约其实际应用的主要问题。
Sn-Bi焊料在固化过程中容易形成连续分布的富铋脆性网络，这种结构在高局部载荷或冲击作用下会成为裂纹快速扩展的路径，严重降低材料的塑性变形能力和抗冲击性能[10,12]。为解决这些固有缺陷，人们广泛探索通过微合金化来调整微观结构并改善材料的变形性能。这类方法可分为两类：一类是强化元素，如Ag、Cu、Ni和Co，它们主要通过固溶效应和金属间相析出起到强化作用[9,13,14]；另一类则是增韧元素，如In、Zn和Sb，它们通过固溶软化作用带来一定的延展性提升[[15], [16], [17], [18], [19]]。然而，这些改进措施往往伴随着一定的弊端：有限的溶解度可能导致元素偏聚和微观结构不均匀，而析出反应和界面反应则可能引入过多的脆性金属间相[9]。更为严重的是，微合金化可能会显著改变熔点或扩大熔化范围，从而缩小低温加工窗口[13]。此外，加入贵重或稀有元素还会增加成本，限制大规模生产。因此，在材料多样化和制造条件受限的情况下，如何实现强度与韧性的良好平衡，同时保持较低的加工温度，仍是Sn-Bi焊料面临的重要挑战。
除了微合金化方法之外，近年来，采用微米/纳米颗粒增强的Sn-Bi复合焊料也引起了广泛关注。先前的研究已经表明，通过引入金属、氧化物和陶瓷增强剂，可以优化Sn-Bi焊料的微观结构，固定相界，减轻应力集中，并改变裂纹扩展路径，从而提升其性能和使用寿命[20,21]。此外，还有研究表明，通过合理设计合金成分和填充金属，也能改善低温连接和接头的性能[22,23]。微观结构的变化以及界面反应，包括润湿性和界面膜的形成，都会显著影响接头的机械性能和功能表现[[24], [25], [26]]。相关研究还强调了微观结构控制、工艺建模和界面设计在提升材料性能方面的作用[[27], [28], [29], [30]]。从理论上讲，由于纳米颗粒尺寸更小、比表面积更大，且界面效应更为明显，因此在相同添加量下，纳米颗粒相比微米颗粒能带来更高的强化和增韧效果[31]。这一结论与关于金属基复合材料的研究结果一致，那些采用纳米级增强剂和异质结构的复合材料，往往能够实现强度与延展性的更好结合，同时提升耐磨性能[[32], [33], [34]]。在基于CoCrNi的金属体系中，也通过表面偏聚和低温变形机制提升了材料的耐磨性[35,36]。然而，在实际的回流焊接过程中，纳米颗粒往往与熔融焊料之间的润湿性较差，还容易发生氧化和团聚，这限制了它们在固化过程中对微观结构的调控作用[14]。因此，要想获得显著的强度与韧性提升，通常需要复杂的分散处理或较高的颗粒添加量[37,38]，而这些方法都会降低制造的可行性，影响成本效益和规模化生产。所以，如何合理选择增强颗粒，并优化其添加策略，以便在较低添加量下实现最佳效果，仍然是颗粒增强型Sn-Bi复合焊料面临的关键科学与技术难题。
在此，我们提出了一种通过添加0.05?wt%的W@Ni核壳纳米颗粒来优化低温Sn58Bi焊料强度与韧性的方法。在该方法中，Ni壳层能够在重熔过程中形成能量较低的Ni3Sn4相，从而促进β-Sn的非均匀析出；而W核心则有助于提升颗粒在焊料熔体中的分散程度，进而促进共晶层?细化。通过对比未经过处理的焊料以及添加Ni纳米颗粒和W@Ni纳米颗粒的焊料，我们明确了如何通过协同调控析出和生长过程，克服Sn58Bi焊料的固有脆性，为开发可靠的低温连接材料提供可行的设计途径。
