Shear strength and DSC analysis of high-temperature solders

• Autorzy: Koleňák R. , Martinkowič M , Koleňáková M

Warianty tytułu

PL

Wytrzymałość na ścinanie i analiza DSC wysokotemperaturowych stopów lutowniczych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The work is devoted to the study of shear strength of soldered joints fabricated by use of high-temperature solders of types Bi-11Ag, Au-20Sn, Sn-5Sb, Zn-4Al, Pb-5Sn, and Pb-10Sn. The shear strength was determined on metallic substrates made of Cu, Ni, and Ag. The strength of joints fabricated by use of flux and that of joints fabricated by use of ultrasonic activation without flux was compared. The obtained results have shown that in case of soldering by use of ultrasound (UT), higher shear strength of soldered joints was achieved with most solders. The highest shear strength by use of UT was achieved with an Au-20Sn joint fabricated on copper, namely up to 195 MPa. The lowest average values were achieved with Pb-based solders (Pb-5Sn and Pb-10Sn). The shear strength values of these solders used on Cu substrate varied from 24 to 27 MPa. DSC analysis was performed to determine the melting interval of lead-free solders.

PL

Praca poświęcona jest badaniu wytrzymałości na ścinanie połączeń lutowanych wytwarzanych przy użyciu wysokotemperaturowych stopów lutowniczych typu Bi-11Ag, Au-20Sn, Sn-5Sb, Zn-4Al, Pb-5Sn i Pb-10Sn, na podłożach wykonanych z Cu, Ni i Ag. Porównano wytrzymałość spoin wytwarzanych przy użyciu topnika i spoin wytwarzanych przy użyciu aktywacji ultradźwiękowej bez topnika. Uzyskane wyniki wykazały, że w przypadku lutowania z wykorzystaniem ultradźwięków (UT), wyższą wytrzymałość na ścinanie połączeń lutowanych została osiągnięta dla większości stopów lutowniczych. Najwyższą wytrzymałość na ścinanie przy użyciu UT (tj. 195 MPa) uzyskano dla Au-20Sn na Cu. Najniższe średnie wartości zostały osiągniete dla lutów na bazie Pb (Pb-5Sn i Pb-10Sn). Wartości wytrzymałości na ścinanie tych lutów na podłożach Cu waha się od 24 do 27 MPa. Analizę DSC przeprowadzono w celu określenia przedziału temperatur topnienia bezołowiowych stopów lutowniczych.

Słowa kluczowe

EN

high-temperature solders; lead-free solders; shear strength; ultrasonic soldering; DSC analysis

PL

wysokotemperaturowe stopy lutownicze; luty bezołowiowe; ścinanie; lutowanie ultradźwiękowe; analiza DSC

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, iss. 2
• Strony: 529--533
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Koleňák R.

• Slovak University of Technology in Bratislava, Faculty of Materials Science and Technology in Trnava, Institute of Production Technologies, Paulinska 16, 917 24 Trnava, Slovak Republic

autor

Martinkowič M

• Slovak University of Technology in Bratislava, Faculty of Materials Science and Technology in Trnava, Institute of Production Technologies, Paulinska 16, 917 24 Trnava, Slovak Republic

autor

Koleňáková M

• Slovak University of Technology in Bratislava, Faculty of Materials Science and Technology in Trnava, Institute of Production Technologies, Paulinska 16, 917 24 Trnava, Slovak Republic

Bibliografia

• [1] K. Suganuma, S. J. Kim, K. S. Kim, High-temperature lead-free solders - Properties and possibilities, Journal of the Minerals, Metals and Materials Society 61 1, 64-71 (2009).
• [2] H. J. Kim, W. S. Jeong, M. H. Lee, Thermodynamics - Aided Alloy Design and Evaluation of Pb - free Solders for High - Temperature Applications, Materials Transactions 43 8, 1873-1878 (2002).
• [3] N. J. Lalena, F. J. Nancy, W. M. Weiser, Experimental investigation of Ge-doped Bi-11Ag as a new Pb-free solder alloy for power die attachment, Journal of Electronic Materials 31 11, 1244-1249 (2002).
• [4] P. Fima, W. Gasior, A. Sypien, Z. Moser, Wetting of Cu by Bi - Ag based alloys with Sn and Zn additions, Journal of Materials Science 45 16, 4339-4344 (2009).
• [5] M. Rottenmayr, P. Lambracht, B. Kempf, M. Graff, High Melting Pb - Free Solder Alloys for Die - Attach Applications, Advanced Engineering Materials 7 10, 965-969 (2005).
• [6] W. J. Yoon, S.H. Chun, B.S. Jung, Reliability evaluation of Au-20 Sn flip chip solder bump fabricated by sequential electroplating method with Sn and Au, Materials Science and Engineering 473 2, 119-125 (2007).
• [7] A. A. El-Daly, A. Fawzy, A. Z. Mohamad, A. M. El-Taher, Microstructural evolution and tensile properties of Sn-5Sb solder alloy containing small amount of Ag and Cu, Journal of Alloys and Compounds 509, 4574-4582 (2011).
• [8] W. R. Osório, C. M. Freire, A. Garcia, Dendritic solidification microstructure affecting mechanical and corrosion properties of a Zn-4Al alloy, Journal of Materials Science 40 17, 4493-4499 (2005).
• [9] Y. Takaku, L. Felicia, I. Ohnuma, R. Kainuma, K. Ishida, Interfacial Reaction Between Cu Substrates and Zn-Al Base High-Temperature Pb-Free Solders, Journal of Electronic Materials 37 3, 314-323 (2008).
• [10] M. J. Song, Y. H. Chuang, M. Z. Wu, Substrate Dissolution and Shear Properties of the Joints between Bi - Ag Alloys and Cu Substrates for High - Temperature Soldering Applications. Journal of Electronic Materials 36 11, 1516-1523 (2007).
• [11] Y. Shi, W. Fang, Z. Xia, Y. Lei, F. Guo, X. Li, Investigation of rare earth - doped BiAg high - temperature solders, Journal of Materials Science - Materials in Electronics 8 12, 231-235 (2009).
• [12] V. L. Lanin, Activation of melts by the energy of ultrasonic and infrared fields, Surface Engineering and Applied Electrochemistry 46 5, 469-476 (2010).
• [13] R. Kolenák, P. Zubor, Soldering of Ceramic Materials Using Ultrasonic Energy, Welding in the World 49 9, 546-553 (2005).
• [14] R. Koleňák, P. Šebo, M. Provazník, M., K. Ulrich, Shear strength and wettability of active Sn3.5Ag4Ti(Ce,Ga) solder on Al2O3 ceramics, Materials & Design 32 7, 3997-4003 (2011).
• [15] T. Nagaoka, Y. Morisada, M. Fukusumi, T. Takemoto, Joint strength of aluminum ultrasonic soldered under liquidus temperature of Sn-Zn hypereutectic solder, Journal of Materials Processing Technology 209, 5054-5059 (2009).
• [16] T. Nagaoka, Y. Morisada, M. Fukusumi, T. Takemoto, Selection of soldering temperature for ultrasonic-assisted soldering of 5056 aluminum alloy using Zn-Al system solders, Journal of Materials Processing Technology 211, 1534-1539 (2011).
• [17] B. Joseph, F. Barbier, G. Dagoury, M. Aucouturier, Rapid penetration of liquid Bi along Cu grain boundaries, Scripta Materialia 39 6, 775-781 (1998)