Transcript Intermetallikus vegyületek vizsgálata ólommentes Sn-Cu

Dr. Nagy Erzsébet, Gyenes Anett, Vargáné
Molnár Alíz,
Prof. Dr. Gácsi Zoltán
Miskolci Egyetem
Fémtani, Képlékenyalakítási és
Nanotechnológiai Intézet
• A forrasztási technológiák során két szilárd, forrasztandó anyag
közötti térben helyezünk el egy alacsonyabb olvadáspontú anyagot
(forraszanyagot), ami a forrasztás során először megolvad, majd
kitölti a forrasztandó anyagok közötti szabad teret, végül hűtés
hatására kristályosodik, miközben erős kötést alakít ki mindkét
forrasztandó anyaggal.
Forrasztandó anyag
Forrasz ötvözet
Intermetallikus
réteg
Forrasztandó anyag
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
2
• Túl alacsony hőmérséklet-túl kevés idő
intermetallikus réteg nem vagy alig jön létre

az
• Megfelelő  0.3-1 m vastagságú intermetallikus réteg
• Túl magas hőmérséklet-túl hosszú idő  vastag
intermetallikus
réteg
(alacsony
kötésszilárdság,
forraszréteg ledobása)
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
3
Intermetallikus réteg kialakulása az alapfém és a
forrasz határán
0.3-1m
Lead-Free Solder Interconnect Reliability, Edited by Dongkai Shangguan, ASM International, 2005
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
4
Vizsgálatok
Vizsgálatok típusa:
• Alapanyag vizsgálatok
• Forrasztott kötés modellezés
Vizsgálati módszerek:
• Optikai mikroszkópos vizsgálatok
• Pásztázó elektron mikroszkópos vizsgálatok
• Röntgen diffrakciós vizsgálatok
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
5
Vizsgálati anyagok
Sn-Cu forraszanyagok :
 Sn0.7Cu, Sn0.7Cu+Ni
 Sn0.5Cu, Sn0.5Cu+Ni
 Sn1Cu, Sn1.0Cu+Ni
Sn-Ag-Cu forraszanyagok:
 SnAg1Cu0.5
 SnAg2Cu0.5
 SnAg3Cu0.5
 SnAg4Cu0.5
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
6
Sn-Cu forraszanyagok
• Réz tartalom: 0.5-1%
• A rendszerben megtalálható fázisok:
• -Sn
(térben középpontos tetragonális rács)
• η-Cu6Sn5 intermetallikus
vegyületfázis
(hexagonális rács)
• η’-Cu6Sn5 vegyületfázis
(monoklin rács)
η-η’ allotróp átalakulás 183 °C-on
Ni hatására η-Cu6Sn5 stabil szobahőmérsékleten,
formája η-(Cu, Ni)6Sn5
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
7
7
Sn-Cu ötvözetek alapanyag vizsgálata
SnCu0,7 ötvözet
Sn0.7Cu + 0.1 Ni
Ni0,02
Ni0,05
-Sn
-Sn
+
Cu6Sn5
Ni0,1
(Cu, Ni)6Sn5
Ni0,2
Szövetszerkezet: -Sn+-Cu6Sn5
• Az -Cu6Sn5 fázis mennyisége nő a Cu tartalom növekedésével
• A Cu tartalom növekedésével kisebb Ni ötvöző tartalom felé tolódik
a primer vegyületfázis megjelenése
(Sn1.0Cu-500 ppm Ni)
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
8
SnCu0,7 ötvözet
3000
Cu6Sn5
2900
2800
2700
2600
2500
2400
2300
2200
2100
2000
Intensity [count]
1900
1800
1700
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
Bragg angle [°]
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
9
SnCu0,7 ötvözet
-Sn
-Sn
-Cu6Sn5
-Sn
-Cu6Sn5
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
10
Sn-Ag-Cu forraszötvözetek
• Réz tartalom: 0.5%
• Ezüst tartalom: 1-4%
• A rendszerben megtalálható fázisok:
• -Sn
(térben középpontos tetragonális rács)
• Ag3Sn intermetallikus vegyületfázis
( ortorombos rács)
• η-Cu6Sn5 vegyületfázis
(hexagonális rács)
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
11
Sn-Ag-Cu ötvözetek alapanyag vizsgálata
SAC105
-Sn
Ag3Sn
+
-Sn
Szövetszerkezet: -Sn+Ag3Sn
• Az Ag3Sn fázis mennyisége nő az Ag tartalom növekedésével
• Az alapanyagban kimutathatósági határ alatt a Cu6Sn5 vegyületfázis
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
Ag3Sn
5000
Lin (Counts)
4000
3000
2000
1000
0
21
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
2-Theta - Scale
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
13
-Sn
-Sn
-Sn
-Sn
3400
3300
3200
3100
3000
-Sn
2900
2800
2700
2600
2500
2400
2300
Ag3Sn
2200
Lin (Counts)
2100
2000
1900
1800
1700
1600
1500
Ag3Sn
Ag3Sn
1400
1300
1200
1100
SAC405
1000
900
800
SAC305
SAC205
SAC105
700
600
500
400
300
200
100
0
29 30
40
50
60
70
2-Theta - Scale
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
14
Forrasztott kötés
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
15
Forrasztott kötés modell kísérlete
Forraszanyag
Cu lap
Forrasztás: 300°C, 30s
Sn-Cu ötvözetek
Sn-Ag-Cu ötvözetek
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
16
Sn-Cu ötvözetek
Sn0,7Cu
-Sn
3000
-Sn
2900
2800
2700
2600
-Sn
2500
2400
2300
2200
2100
2000
1900
Intensity [count]
1800
1700
Cu6Sn5
1600
1500
1400
1300
Cu6Sn5
1200
1100
Cu6Sn5
1000
900
Cu6Sn5
800
forrasztott minta
700
600
500
alapanyag
400
300
200
100
0
30
40
60
50
70
Bragg angle [°]
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
17
Sn-Cu ötvözetek
Sn0,7Cu
-Sn
-Sn
-Sn
-Sn
1700
1600
1500
1400
Cu6Sn5
1300
Cu6Sn5
Cu6Sn5
1200
Lin (Counts)
1100
2000 ppm Ni
1000
900
1000 ppm Ni
800
700
500 ppm Ni
600
500
400
300
250 ppm Ni
0 ppm Ni
200
100
0
25
30
40
50
60
70
2-Theta - Scale
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
18
Sn-Ag-Cu ötvözetek
SAC105
-Sn
-Sn
-Sn
-Sn
2200
2100
2000
1900
1800
Cu6Sn5
1700
1600
1500
Ag3Sn
Intensity [counts]
1400
1300
Cu6Sn5
Cu6Sn5
1200
1100
Ag3Sn
1000
900
800
700
600
forrasztott minta
500
400
300
alapanyag
200
100
0
25
30
40
50
60
70
7. Anyagvizsgálat
a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Bragg angle
[°]
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
19
Sn-Ag-Cu ötvözetek
SAC
-Sn
1600
Cu6Sn5
-Sn
Ag3Sn-Sn
1500
Ag3Sn
1400
Cu6Sn5
1300
Ag3Sn
1200
-Sn
Cu6Sn5
1100
Lin (Counts)
1000
900
800
700
SAC405
600
500
SAC305
400
300
200
100
SAC205
SAC105
0
25
30
40
60
50
70
2-Theta - Scale
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
20
Összegzés
• Alapanyag vizsgálatok: a megfelelő összetétel
megkeresése
(a primer intermetallikus fázisok elkerülése)
• A forrasztási körülmények kontrollálása
(hőmérséklet, idő)
Mi történik ha az említett megállapításokat nem sikerül
betartani?!
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
21
Sn0.7Cu
Sn0.7Cu+0.2Ni
7. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban (AGY) Szakmai
Szeminárium, 2014. június 18-19-20., Kecskemét
22
A kutatás a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 azonosító számú
Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi
támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése országos
program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai
Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával
valósul meg.
A kutatás szakmailag kapcsolódik a Miskolci Egyetemen a TÁMOP4.2.2.
A-11/1/KONV-2012-0019
azonosítószámú
„Környezetbiztonságos forraszanyagok anyagtudományi alapon
történő fejlesztése primer és másodnyersanyagokból a járműipar
számára” projekthez.