The development of stable baths for electrodeposition of Sn-Zn-Cu lead free solder alloys

• Autorzy: Słupska M. , Ozga P. , Świątek Z. , Kazimierczak H.

Warianty tytułu

PL

Preparatyka stabilnych kąpieli do elektrolitycznego osadzania bezołowiowych stopów lutowniczych Sn-Zn-Cu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Sn-Zn-Cu alloy can be attractive as a lead-free solder for electric and electronic assembly. The main purpose of this work was a development of the stable baths for electrodeposition of Sn-Zn-Cu on the basis of the analyses of thermodynamic models of citrate baths and experimental investigations of baths stability. Baths were prepared with varying concentrations of copper(II) sulfate(Vl), and tin(II) sulfate(VI) at a fixed concentration of zinc(II) sulphate(VI) based on predominance area diagrams for Sn(II), Zn(II), Cu(II) species. The effect of concentration of sodium citrate (complex agent) and pH on the stability of the bath were examined during experiments. The stable baths for electrodeposition of Sn-Zn-Cu alloys were made on the basis of the results. Alloys were electrodeposited at room temperature from citrate electrolyte at pH 5.5 on steel discs. The effect of potential and rotating disc electrode speed on the composition of the obtained coatings was examined. The received deposits were analyzed by chemical analysis (uXRF), which confirmed the presence of Sn, Zn and Cu. The content of tin in the coatings varied from 47 to 81 wt %, the zinc content varied from 1 to 40 wt %, and the copper content varied between 4 and 20 wt %. The received results ofphase analysis (XRD) of the electrolytic Sn-Zn-Cu layers are in a good agreement with thermodynamic data for Sn-Zn-Cu system except presence of hexagonal ŋ-Cu6(Sn, Zn)5 phase instead monoclinic ŋ'-Cu6Sn5 phase.

PL

Stopy Sn-Zn-Cu mogą być stosowane jako lutowia bezołowiowe w montażu urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Głównym celem pracy było opracowanie stabilnych kąpieli do elektroosadzania stopów Sn-Cu-Zn na podstawie analizy modeli termodynamicznych kąpieli cytrynianowych oraz doświadczalne zbadanie stabilności wybranych kąpieli. Korzystając z diagramów form dominujących Sn(II), Zn(II), Cu(II) w roztworach cytrynianowych, sporządzono kąpiele o zmiennym stężeniu siarczanu(VI) miedzi(II) oraz cyny(II) przy stałym stężeniu siarczanu(VI) cynku(Il). Podczas doświadczeń zbadano także wpływ stężenia cytrynianu sodu (składnik kompleksujący) oraz pH na trwałość kąpieli. Na podstawie otrzymanych wyników sporządzono stabilne kąpiele do elektroosadzania stopów Sn-Zn-Cu. Stopy osadzano potencjostatycznie w temperaturze pokojowej z opracowanych elektrolitów cytrynianowych o pH równym 5.5 na stalowych dyskach. Zbadano wpływ potencjału oraz prędkości obrotowej elektrody dyskowej (RDE) na skład otrzymywanych stopów. Osady elektrolityczne poddano analizie chemicznej (uXRF), która potwierdziła obecność Sn, Zn i Cu. Zawartość Sn w powłoce wynosiła od 47 do 81% mas., zawartość Zn od 1 do 40% mas., a Cu od 4 do 20% mas. Otrzymane wyniki analizy fazowej (XRD) warstw elektrolitycznych Zn-Sn-Cu pozostają w dobrej zgodności z danymi termodynamicznego trójskładnikowego układu fazowego Zn-Sn-Cu w badanym zakresie składu chemicznego, z wyjątkiem obecności heksagonalnej fazy ŋ-Cu6(Sn, Zn)5 zamiast jednoskośnej ŋ'-Cu6Sn5.

Słowa kluczowe

EN

lead-free solders; Sn-Zn-Cu alloys; electrodeposition

PL

lutowia bezołowiowe; stopy Sn-Zn-Cu; osadzanie elektrolityczne

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 3
• Strony: 196--200
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Słupska M.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krupkowskiego Polskiej Akademii Nauk, Kraków

autor

Ozga P.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krupkowskiego Polskiej Akademii Nauk, Kraków

autor

Świątek Z.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krupkowskiego Polskiej Akademii Nauk, Kraków

autor

Kazimierczak H.

• Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krupkowskiego Polskiej Akademii Nauk, Kraków

Bibliografia

• [1] Ozga P.: Electrodeposition of Sn-Ag and Sn-Ag-Cu alloys from the thiourea solutions. Archives of Metallurgy and Materials 3 (2006) 413÷421.
• [2] Jae-Ean Lee, Keun-Soo Kimb, Masahiro lnoue, Junxiang Jiang , Katsuaki Suganumab: Effects of Ag and Cu addition on microstructural properties and oxidation resistance of Sn-Zn eutectic alloy. Journal of Alloys and Compounds 454 (2008) 310÷320.
• [3] Grobelny M., Sobczak N.: Effect ofpH of sulfate solution on electrochemical behaviour of Pb-Free solder candidates of SnZn and SnZnCu systems. Journal of Materials Engineering and Performance (2012) 614÷619.
• [4] Kazimierczak H., Ozga P.: Electrodeposition of Sn-Zn and Sn-Zn-Mo layers from citrate solution. Surface Science 607 (2013) 33÷38.
• [5] Dubent S., De Petris-Wery M., Saurat M., Ayedi H. F.: Composition control of tin-zinc electrodposit through means of experimental strategies. Materials Chemistry and Physics 104 (2007) 146÷152.
• [6] Chi-Chang Hu, Chun Kou Wang, Gen Lan Lee.: Composition control of tin zinc deposits using experimental strategies. Electrochimica Acta 51 (2006) 3692÷3698.
• [7] Wang K., Pickering H. W., Wei K. G.: EQCM studies of the eletrodeposition and corrosion of tin-zinc coatings. Electrochimica Acta 46 (2001) 3835÷3840.
• [8] Guaus E., Torrent-Burgues J.: Tin-zinc electrodposition from sulphatetartrate bath. Journal of Electroanalytical Chemistry 575 (2005) 301÷309.
• [9] Guaus E., Torrent-Burgues J.: Tin-zinc electrodposition from sulphategluconate baths. Journal ofElectroanalytical Chemistry 549 (2003) 25÷36.
• [10] Yu-chih Huanga, Sinn-wen Chena, Chin-yi Choub, Gierlotka W.: Liquidus projection and therrnodynamic modelling of Sn-Zn-Cu temary system. Journal of Alloys and Compounds 477 (2009) 283÷290.
• [11] Byeong-Joo Lee, Nong Moon Hwang, Hyuck Mo Lee: Prediction of interface reaction products between Cu and Various solder alloys by thermodynamic calculation. Acta Mater. 45 (5) (1997) 1867÷1874.
• [12] Chin-yi Chou, Sinn0wen Chen: Phase equilibria of the Sn-Zn-Cu temary system. Acta Materialia 54 (2006) 2393÷2400.
• [13] Xe Xin-kuai, Chen Bai-zhen, Hu Geng-sheng, Deng Ling-feng, Zhou Ning-bo, Tian Wen-zeng.: Process of electroless plating Cu-Sn-Zn temary alloy. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 16 (2006) 223÷228.
• [14] Beattiea S. D., Dahn J. R.: Combinatorial electrodeposition of ternary Cu-Sn-Zn alloys. Journal of Electrochemical Society 152 (2005) C542÷C548.
• [15] Joint Committee on Powder Diffraction Standards, JCPDS in: International Centre for Diffraction Data. Powder Diffraction File-PDF-4, ICDD, Pennsylvania 2007 (CDROM).
• [16] Sillen L. G., Martel A. E.: Stability constants of metal-ion complexes. The Chemical Society, London (1964), Supplement No. 1 (1971).
• [17] Pettit L. D. ,Powell K. J.: The IUPAC stability constants database. SC- Database for Windows, Academic Software, Release 5, Sourby Old Farm, Timble, Otley, Yorks, UK (2012).
• [18] Ennaoui A., Lux-Steiner M., Weber A., Abou-Ras D., Kötschau I., Schock H.-W., Schurr R., Hölzing A., Jost S., Hock R., Voß T., Schulze J., Kirbs A.: Cu2ZnSnS4 thin film solar cells from electroplated precursors: Novel low-cost perspective. Thin Solid Films 517 (2009) 2511÷2514.
• [19] Brenner A.: Electrodeposition ofalloys. Academic Press, New York (1963).
• [20] Fürtauer S., Li D., Cupid D., Flandorfer H.: The CuSn phase diagram, Part I: New experimental results. Intermetallics 34 (2013) 142÷147.
• [21] Kim Y. M., Roh H. R., Kim S., Kim Y. H.: Kinetics of interrnetallic compound formation at the interface between Sn-3.0Ag-0.5Cu solder and Cu-Zn alloy substrates J. Electron. Mater. 39 (2010) 2504÷2512.
• [22] Wei-Quan Shao, Chi-YangYu, Wen-CaiLu, Jenq-Gong Duh, Sha-Ou Chen: Study of the Zn occupancy leading to the stability improvement for Cu6Sn5 using a first-principles approach Materials Letters 93 (2013) 300÷303.