Wpływ zawartości fosforu na zwilżalność podłoży z pokryciem Ni-P lutowiem SAC305

• Autorzy: Kudyba A. , Sobczak N. , Siewiorek A. , Turalska P. , Klasik A. , Bieliński J. , Sałacińska A. , Kozera R.

Identyfikatory

DOI

10.7356/iod.2014.21

Warianty tytułu

EN

Effect of phosphorus content on the wettability of Ni-P coated surfaces by SAC305 alloy

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Celem badań było określenie wpływu składu chemicznego pokrycia Ni-P na kinetykę zwilżania ciekłego lutowia SAC305 w kontakcie z pokryciem Ni-P. Badania przeprowadzono w próżni w temperaturze 230°C w czasie 5 minut, stosując metodę kropli leżącej w połączeniu z osobnym nagrzewaniem badanej pary materiałów, pozwalającej na eksperymentalne wyznaczanie wartości kąta zwilżania θ. Do badań użyto stop lutowniczy SAC305 (3% wag. Ag, 0,5% wag. Cu, Sn – osnowa) oraz podłoża niklowe (Ni 99,8% wag.), na które naniesione zostało pokrycie Ni-xP o dwóch różnych zawartościach fosforu (x = 4,3% wag. lub 11,6% wag.). Po badaniach zwilżalności przeprowadzono analizę strukturalną powierzchni próbek metodą skaningowej mikroskopii elektronowej, koncentrując się na obserwacji granicy SAC305/podłoże. W celu określenia wpływu zawartości fosforu w pokryciu Ni-P na wytrzymałość wytworzonych połączeń SAC305/Ni-xP/Ni poprzeczne przekroje próbek poddano testom na ścinanie, stosując udoskonaloną metodę push-off shear test. Stwierdzono, że dla wybranego zakresu 4,3 ≤ P ≤ 11,6 wzrost zawartości fosforu w pokryciu poprawia zwilżalność badanych układów ciekłym lutowiem SAC305, lecz jest to efekt pozorny wynikający z penetracji lutowia w nieciągłości strukturalne powstające w warstwie Ni-11,6P na skutek przemian fazowych. Dla próbki SAC305/ Ni-11,6P/Ni wartość kąta zwilżania θ = 54° jest mniejsza w porównaniu do próbki SAC305/Ni-4,3P/Ni, dla której θ = 75°, przy tym wytrzymałość na ścinanie wytworzonych połączeń praktycznie nie ulega zmianie, wykazując dla próbki SAC305/Ni-11,6P/Ni τ_max = 15,6 MPa w porównaniu τ_max = 14,2 MPa dla próbki SAC305/Ni-4,3P/Ni.

EN

The aim of this study was to determine the effect of the chemical composition of Ni-P coating on the wettability kinetics of SAC305 liquid solder in contact with the Ni-P coating. The study was conducted in vacuum, at 230°C, for 5 minutes, using the sessile drop method in combination with a separate heating of the two test materials, allowing for experimental determination of the contact angle θ. The study used a SAC305 solder (Sn base, Ag 3 wt. %, Cu 0.5 wt. %) and a nickel substrate (Ni 99.8 wt. %) onto which Ni-xP coating of two different levels of phosphorous was applied (x = 4.3 wt. %, or 11.6 wt. %). After the tests of wettability were performed, structural analysis of the surface of the samples was performed by scanning electron microscopy, focusing on the observation of the border SAC305/substrate. In order to determine the effect of phosphorus in the Ni-P coating on the strength of the SAC305/Ni-xP/Ni joints formed, cross sections of samples were tested for shear strength using the improved method of the push-off shear test. It was found that, for the selected range of 4.3 ≤ P ≤ 11.6, increase in the phosphorus content in the coating improves the wettability of the liquid systems tested with the SAC305 solder, but it is an apparent effect resulting from the solder’s penetration of the structural discontinuities formed in the layer of Ni-11.6P, due to phase transitions. For the SAC305/ Ni-11.6P/Ni sample, value of the contact angle θ = 54° is smaller, as compared to the SAC305/Ni-4.3P/Ni sample, for which θ = 75°, the shear strength of the joints produced shows virtually no changes, for the SAC305/Ni-11.6P/Ni sample τ_max = 15.6 MPa, as compared to τ_max = 14.2 MPa for the SAC305/Ni-4.3P/Ni sample.

Słowa kluczowe

PL

SAC305; pokrycie Ni-P; kąt zwilżania; kinetyka zwilżania; lutowanie bezołowiowe

EN

SAC305; Ni-P coating; contact angle; wetting angle; wettability kinetics; lead-free soldering

• Wydawca: Instytut Odlewnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Odlewnictwa
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 54, nr 4
• Strony: 51--62
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kudyba A.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

autor

Sobczak N.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków
• Instytut Transportu Samochodowego, ul. Jagiellońska 80, 03-301 Warszawa

autor

Siewiorek A.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

autor

Turalska P.

• Instytut Odlewnictwa, Centrum Badań Wysokotemperaturowych, ul. Zakopiańska 73, 30-418 Kraków

autor

Klasik A.

• Instytut Transportu Samochodowego, ul. Jagiellońska 80, 03-301 Warszawa

autor

Bieliński J.

• Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warszawa

autor

Sałacińska A.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa

autor

Kozera R.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa

Bibliografia

• 1. Bukat K., Hackiewicz H. (2007). Lutowanie bezołowiowe. Legionowo: Wydawnictwo BTC.
• 2. Hwang C. W. et al. (2003). Interfacial microstructure between Sn-3Ag-xBi and Cu substrate with or without electrolytic Ni plating. J. Electron. Mater., 32(1), 52−62.
• 3. Lin K. S., Huang H. Y., Chou C. P. (2009). Interfacial reaction between Sn–1Ag–0.5Cu(–Co) solder and Cu substrate with Au/Ni surface finish during reflow reaction. J. Alloy Compd., 471(1−2), 291−295.
• 4. Yoon J. W., Noh B. I., Jung S. B. (2011). Comparative study of ENIG and ENEPIG as surface finishes for Sn-Ag-Cu solder joint. J. Electron. Mater., 40(9), 1950−1955.
• 5. Alam M. O., Chan Y. C., Hung K. C. (2002). Reliability study of the electroless Ni–P layer against solder alloy. Microelectron. Reliab., 42(7), 1065−1073.
• 6. Lin C. S. et al. (2005). Structural evolution and internal stress of nickel-phosphorus electrodeposits. J. Electrochem. Soc., 152(6), C370−C375.
• 7. Allen R. M., Vandersande J. B. (1982). The structure of electroless NiP films as a function of composition. Scripta Metal. Mater., 16(10), 1161−1164.
• 8. Kreye H., Gutmann R. (1993). Mikrostruktur und Verschleißbeständigkeit von Nickel-Phosphor-Schichten mit niedrigem Phosphorgehalt. Metalloberfläche, 47, 378−391.
• 9. Puttlitz K. J., Stalter K. A. (2004). Handbook of Lead-Free Solder Technology for Microelectronic Assemblies. New York-Basel.
• 10. Hwang S. (2005). Implementing Environment-Friendly Electronics. New York: McGraw-Hill.
• 11. Massalski T. B. (1996). Binary Alloy Phase Diagrams-CD-ROM. Materials Park, OH: ASM International.
• 12. Chen Z., Kumar A., Mona M. (2006). Effect of phosphorus content on Cu/Ni-P/Sn-3.5Ag solder joint strength after multiple reflows, J. Electron. Mater., 35(12), 2126−2134.
• 13. Chonan Y. et al. (2002). Influence of P content in electroless plated Ni-P alloy film on interfacial structures and strength between Sn-Zn solder and plated Au/Ni-P alloy film. Mater. Trans., 43(8), 1887−1890.
• 14. Sobczak N. et al. (2014). Textile reinforced carbon fibre/aluminium matrix composites for lightweight applications, ed. M. Gude, A. Boczkowska. Cracow: Foundry Research Institute.
• 15. Kozera R. et al. (2011). Preparation of carbon fibres for aluminium composites. Adv. Mater. Res., 264−265, 1487−1493.
• 16. Sobczak N., Schmidt J., Kazakov A. Urządzenie do badania właściwości powierzchniowych ciekłych stopów, Patent PL-166953, z dn. 26.07.1991.
• 17. Sobczak N., Singh M., Asthana R. (2006). High-temperature wettability measurements in ceramic-metal systems – some methodological issues. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci., 9(4−5), 241−253.
• 18. Asthana R., Sobczak N. (2000). Wettability, spreading, and interfacial phenomena in high-temperature coatings. JOM-e, 52(1), 1−19.
• 19. Sobczak N. et al. (2007). The factors affecting wettability and bond strength of solder joint couples. Pure App. Chem., 78(10), 1755−1769.
• 20. Siewiorek A. et al. (2013). Effects of PCB Substrate Surface Finish and Flux on Solderability of Lead-Free SAC305 Alloy. J. Mater. Eng. Perform., 21(5), 2247−2252.
• 21. ASTRA Reference Book, IENI, Report, Oct. 2007.
• 22. Kowalewski Z. L., Kowalewski J., Klasik A., Sobczak N., Przyrząd do badania wytrzymałości na ścinanie próbki połączenia różnych materiałów, Patent nr 215374, z dn. 11.05.2009.
• 23. Sobczak N. et al. (2001). Wetting-bond strength relationship in Al-AlN system. Trans. JWRI, 30, 125−130.
• 24. Sobczak N. et al. (2005). Application of push-off shear test for evaluation of wetting-interface structure-bonding relationship of solder joints. J. Mater. Sci., 40(9−10), 2547−2551.
• 25. Pietrzak K. et al. (2007). Lutowia bezołowiowe nowej generacji – wytrzymałość na ścinanie wybranych połączeń metal/metal. Transport Samochodowy, 5(3), 77−88.
• 26. Kudyba A. et al. (2013). Wpływ utleniania podłoża niklowego na zwilżanie w układzie: stop przemysłowy 226D/Ni. Prace Instytutu Odlewnictwa / Transactions of the Foundry Research Institute, 53(3), 27−44.
• 27. Lin K. L., Lai P. J. (1989). The crystallization of an electroless Ni3P deposit. J. Electrochem. Soc., 136(12), 3803−3809.
• 28. Ashassi-Sorkhabi H., Rafizadeh S. H. (2004). Effect of coating time and heat treatment on structures and corrosion characteristics of electroless Ni-P alloy deposits. Surf. Coat. Technol., 176(3), 318−326.
• 29. Bai A., Hu C. C. (2003). Effects of annealing temperatures on the physicochemical properties of nickel-phosphorus deposits. J. Mater. Chem. Phys., 79(1), 49−57.