A nikkel tartalom változásának hatása ólommentes forraszötvözetben képződő intermetallikus vegyületfázisokra Készítette: Gyenes Anett Tudományos vezető: Dr. Gácsi Zoltán Doktoranduszok Fóruma Miskolc 2012. november 08.
Feladat leírása Ipari körülmények között Innolot elnevezésű hatalkotós ólommentes (Sn- Ag-Cu-Bi-Sb-Ni) forraszötvözet alkalmazása során a forraszkádban tűkristályok képződnek melyek minősége és keletkezési körülményei nem tisztázottak megnehezítik vagy akár teljes mértékben ellehetetlenítik a forrasztást a forraszkötésben mechanikai szempontból nagyon károsak csökkentik az élettartamot, megbízhatóságot A kutatás célja Az Innolot elnevezésű hatalkotós (Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni) forraszötvözet alkalmazása során a forraszkádban képződő tűs vegyületfázisok minőségi jellemzése. A nikkel tartalom változás hatásának vizsgálata ezen intermetallikus vegyületfázisok képződésére.
Bevezetés Az Európai Unió által egészség- és környezetvédelmi okokból bevezetett direktívák: RoHS (Restriction of Hazardous Substances) WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) Sn-3.8Ag-0.7Cu Sn-Pb Sn-Ag Sn-Cu Sn-Ag-Cu Cu szubsztrát Fokozott intermetallikus vegyületképződés K. Zeng, K.N. Tu: Six cases of reliability study of Pb-free solder joints in electronic packaging technology, Materials Science and Engineering, R 38 (2002) 55-105
Az Innolot (Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni) forraszanyag bemutatása Az Sn-Ag-Cu (SAC) ötvözet továbbfejlesztett változata további ötvöző elemek adagolása javuló mechanikai tulajdonságok magasabb hőmérsékleten való alkalmazhatóság (akár >150 C) Elem Min, m/m% Max, m/m% Vizsgált ötvözet, m/m% Sn ( 90,1 91,6 ) 89,9 Ag 3,6 4,0 4,1 Cu 0,6 0,8 0,7 Bi 2,8 3,2 3,6 Sb 1,3 1,7 1,5 Ni 0,1 0,2 0,2 Bizmut: (Sn+Bi) eutektikum szilárdoldat T m Antimon: szilárdoldat T m Nikkel: vegyületképző T m
Az Innolot (Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni) forraszanyag bemutatása (Ag 3 Sn) (Sn+Bi) (Sn+Ag 3 Sn) β-sn Cu 6 Sn 5 β-sn (Cu,Ni) 6 Sn 5 Sn-3,8Ag-0,7Cu forraszötvözet szövetszerkezete Innolot (Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni) forraszanyag szövetszerkezete Anton-Zoran Miric: New Developments in High-Temperature, High-Performance Lead-Free Solder Alloys, előadás, W. C. Heraeus GmbH Hanau, Germany, SMTA International
Sn-Ni fázisdiagram ASM Handbook, Volume 3: Alloy phase diagrams, ASM International, (1992)
Sn-Cu-Ni fázisdiagram C.M. Gourlay: In situ investigation of unidirectional solidification in Sn-0.7Cu and Sn-0.7Cu-0,06Ni; Acta Materialia 59 (2011) 4043-4054
A kísérlet bemutatása Célkitűzések: A képződő tűs vegyületfázisok minőségi meghatározása A nikkel tartalom hatása ezen vegyületfázisok képződésére Innolot forraszanyag további nikkellel történő ötvözése 1. Előötvözet előállítása: Innolot (0,4 g) és nikkel (1,6 g) reszelékből sajtolt kompozit pogácsa 2. Ötvözési hőmérsékletek meghatározása Kemencén beállított hőmérséklet, C Termoelemmel kimért valós hőmérséklet, C 390 376 490 488 590 590 A kísérleteket Dr. Pázmán Judittal együtt végeztük el.
Az ötvözés menete 1. A kemence felfűtése a kerámia tégelyben behelyezett forraszanyaggal együtt 300 C-ra 13 C/perc sebességgel. 2. A megolvadt forraszanyag kivétele a kemencéből, majd a Ni-Innolot porkohászati pogácsa behelyezése az olvadékba. 3. A Ni-Innolot ötvöző pogácsa beledermesztése a forraszanyagba. 4. Az így kapott Ni-Innolot ötvöző pogácsa + forraszanyag felfűtése az adott hőmérsékletre 13 C/perc sebességgel. 5. 45 perc hőntartás az adott hőmérsékleten. 6. Az adott hőmérsékletről 2 C/perc sebességgel kemencében történő lassú hűtés 300 C-ra. 7. A 300 C-ra lehűlt olvadék kivétele a kemencéből, majd: 1. eset 2. eset Levegőn történő lassú hűtés szobahőmérsékletre A képződött vegyületfázisok eltávolítása az olvadékból, majd a maradék leöntése
Eltávolított tűs vegyületfázisok aránya, % Az ötvözési hőmérséklet hatása a forraszanyagban képződött vegyületfázisok mennyiségére T ötvözési, C Eltávolított tűs Ötvözött forraszanyag Eltávolított tűs vegyületfázisok vegyületfázisok tömege, g tömege, g aránya, % 376 4,50 45,02 10,00 488 11,00 47,00 23,40 590 15,20 46,23 32,88 35 30 25 20 15 10 5 0 376 488 590 T ötvözési, C
SEM vizsgálat Az olvadékból eltávolított tűkristályok A SEM felvételeket Kovács Árpád készítette.
SEM vizsgálat Elem 1 2 3 4 Wt % Bi 1,32 0,61 1,00 1,62 Ag 0,30 0,00 0,63 1,09 Sn 71,43 71,09 65,24 67,71 Sb 2,73 2,48 1,77 1,63 Ni 22,66 23,00 17,75 13,22 Cu 1,57 2,82 13,61 14,73 Total 100,00 100,00 100,00 100,00 At % Fázisok Bi 0,61 0,28 0,44 0,73 Ag 0,26 0,00 0,53 0,95 Sn 57,65 56,59 50,36 53,88 Sb 2,15 1,92 1,34 1,27 Ni 36,97 37,02 27,71 21,27 Cu 2,37 4,19 19,62 21,89 Total 100,00 100,00 100,00 100,00 Ni 3 Sn 4 Ni 3 Sn 4 Ni x Cu y Sn z (Ni,Cu) x Sn y (Ni,Cu) 6 Sn 5
SEM - Fázisazonosítás Ni x Cu y Sn z (Sn+Bi) β-sn (Ni,Cu) x Sn y Ni 3 Sn 4 A vizsgált Innolot forraszanyag szövetszerkezete (Sn+Ag 3 Sn) Ag 3 Sn 590 C-on nikkellel ötvözött Innolot forraszanyag szövetszerkezete
A kísérleti minták összetételének meghatározása ICP eljárással Mintaazonosító Sn [%] Ag[%] Bi [%] Cu [%] Ni [%] Sb [%] Szabványos összetétel 90,1 91,6 3,6-4 2,8 3,2 0,6-0,8 0,1-0,2 1,3-1,7 Forrasz alapanyag 89,9 4,09 3,55 0,71 0,19 1,45 390 89,3 3,97 3,76 0,56 0,18 1,41 390 tű nélkül 89,4 4,05 3,46 0,55 0,17 1,5 490 86 3,96 3,47 0,61 0,74 1,44 490 tű nélkül 88,7 3,92 3,69 0,53 0,17 1,48 590 85,1 3,82 3,62 0,56 1,37 1,43 590 tű nélkül 89,5 4,34 3,74 0,54 0,16 1,47 Nikkellel ötvözött Innolot forraszanyag A tűs vegyületfázisokat már nem tartalmazó forraszanyag Az ICP vizsgálatot Dr. Bánhidi Olivér végezte el a Kémiai Intézetben.
Ni koncentráció, m/m% A kísérleti minták összetételének meghatározása ICP eljárással 1,6 1,4 1,2 ICP - Nikkellel ötvözött forraszanyag ICP - Visszamaradt forraszanyag 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 300 350 400 450 500 550 600 650 T ötvözési, C
A kísérleti minták összetételének meghatározása mikroszondás analízissel Tűs szerkezet miatt 1 mintán 2 metszeten 4-4 mérési területen határoztuk meg az összetételt Lassú kristályosodás eltérő koncentrációk a mintán belül
A Ni koncentráció változásának hatása a szövetszerkezetre Horizontális metszet Vertikális metszet 376 C 0,18 m/m% Ni 488 C 0,74 m/m% Ni 590 C 1,37 m/m% Ni
Ni koncentráció, m/m% A kísérleti minták összetételének meghatározása mikroszondás analízissel Nikkel koncentráció, m/m% (EDS) T ötvözési, C Visszamaradt forraszanyag Külső Belső Átlag (tűk nélkül) 376 0,56 0,66 0,61 0,55 488 0,68 1,27 0,97 0,56 590 1,46 1,78 1,62 0,61 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 Külső Belső Átlag 0,4 300 400 500 600 700 T ötvözési, C
Ni koncentráció, m/m% A Ni koncentrációjának változása az ötvözési hőmérséklet függvényében SEM - Nikkellel ötvözött forraszanyag 1,8 SEM - Visszamaradt forraszanyag ICP - Nikkellel ötvözött forraszanyag 1,6 ICP - Visszamaradt forraszanyag 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 300 350 400 450 500 550 600 650 T ötvözési, C
Következtetések 1. Hatalkotós ólommentes (Sn-Ag-Cu-Bi-Sb-Ni) forraszötvözetben képződő tűs vegyületfázisok azonosítása C Ni 1. Nagyméretű tűk: Ni 3 Sn 4 2. Kisméretű tűk: (Ni,Cu) x Sn y feltehetően (Ni,Cu) 3 Sn 4 vagy (Ni,Cu) 6 Sn 5
Következtetések 2. A nikkel tartalom változásának hatása az intermetallikus vegyületfázisok képződésére az olvadék nikkel tartalmának növekedése elősegíti ezen tűs vegyületfázisok képződését nagyobb mennyiségben történő megjelenésüket eredményezni 3. A forraszkádban megjelenő tűs szerkezetű intermetallikus vegyületfázisok megjelenésének okai az olvadék összetételének inhomogenitása, azaz a Ni dúsulása az olvadék hőmérsékletének ingadozása az olvadék hőmérsékletének és koncentrációjának folyamatos ellenőrzése és szinten tartása C Ni < 0,2 m/m%
Köszönöm a figyelmet! A kutató munka a TÁMOP-4.2.2/B-10/1-2010-0008 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.