Wpływ wielkości kropli na kinetykę zwilżania w układzie SAC305/Ni

• Autorzy: Turalska P. , Sobczak N. , Kudyba A , Nowak R. , Homa M. , Siewiorek A. , Boroń Ł. , Klasik A.

Identyfikatory

DOI

10.7356/iod.2015.04

Warianty tytułu

EN

The influence of the drop-size effect on the wetting kinetics in SAC305/Ni system

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Badania wpływu efektu wymiarowego kropli na kinetykę zwilżania niklu bezołowiowym stopem na bazie cyny przeprowadzono metodą kropli leżącej w próżni w temperaturze 260°C. Do badań użyto komercyjny stop lutowniczy na bazie cyny SAC305 (Ag – 3,0% wag., Cu – 0,5% wag.) oraz wypolerowane podłoże niklowe o czystości 99,8%. Podczas testu zwilżalności stosowano osobne nagrzewanie badanej pary materiałów do temperatury badań, umieszczając próbkę stopu w kroplówce grafitowej nad powierzchnią podłoża niklowego. Po osiągnięciu wymaganej temperatury z kapilary wyciskano kroplę stopu i osadzano ją na podłożu. Po 30 sekundach wyciskano kolejną kroplę i osadzano ją na pierwszą, zwiększając tym samym objętość kropli dwukrotnie. Proces dokraplania powtarzano 9 razy co 30 sekund, osiągając 10-krotną objętość kropli w porównaniu do stanu pierwotnego. Po badaniach zwilżalności schłodzoną parę materiałów kropla/podłoże przecinano prostopadle do badanej powierzchni podłoża i poddano badaniom na ścinanie oraz analizie strukturalnej poprzecznego przekroju próbki metodami mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowej w połączeniu z lokalną analizą składu chemicznego. Badania zwilżalności nie wykazały istotnych różnic wartości kąta zwilżania ciekłego stopu SAC305 na podłożu niklowym po wielokrotnym dokraplaniu, albowiem wartości kąta zwilżania każdorazowo mierzone w 30. sekundzie kontaktu z podłożem Ni były dla wszystkich 10 kropel zbliżone i wynosiły θ = 35 ±2°. Stwierdzona wysoka powtarzalność pomiarów θ świadczy zarówno o braku występowania efektu wymiarowego w badanym zakresie objętości kropli SAC305, jak i o chemicznej i fizycznej jednorodności powierzchni podłoża. Uzyskane wyniki wskazują na przydatność metody kropli leżącej do oceny jakości powierzchni, szczególnie przydatnej do badań jakości cienkich warstw i pokryć technologicznych stosowanych w procesach łączenia różnorodnych materiałów.

EN

The studies of the drop-size effect on the wetting kinetics of the nickel substrate by lead-free solder were performed by the sessile drop method in a vacuum at a temperature of 260°C. In this work, Sn-based alloy SAC305 (Ag – 3.0 wt. %, Cu – 0.5 wt. %) and polished nickel substrate (99.8%) were used. During the wettability tests, a separate heating of the couple of materials to a test temperature was performed by placing a sample of SAC305 alloy in a graphite capillary above the nickel substrate. After reaching the test temperature, the SAC305 drop was squeezed from the capillary and deposited on the Ni substrate. After 30 seconds, the second drop was squeezed and deposited on the first one, thereby increasing the volume of the drop twice. The process was repeated 9 times every 30 seconds reaching a 10 times larger drop volume, compared to the first drop. After wettability tests, the solidified drop/substrate couple was cooled, cut and subjected to a shear test and structural analysis by optical microscopy, scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy analysis. Wettability studies have not shown a significant difference between the values of the contact angle obtained for each drop produced by subsequent adding of nine drops despite their different size of ten drops produced on the substrate, their contact angle values formed after 30 second contact time were similar showing θ = 35 ±2°. High repeatability of the measured contact angle value θ demonstrates not only physical homogeneity of the substrate surface but it presents a lack of size effect over a range of SAC305 drop volume used in this study. The obtained results demonstrate the suitability of the sessile drop method for surface quality evaluation, particularly for quality tests of thin technological layers or coatings used in joining dissimilar materials.

Słowa kluczowe

PL

kinetyka zwilżania; kąt zwilżania; lutowanie bezołowiowe; SAC305; nikiel; wielkość kropli

EN

wetting kinetics; contact angle; lead-free soldering; SAC305; nickel; drop-size effect

• Wydawca: Instytut Odlewnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Odlewnictwa
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 55, nr 2
• Strony: 3--17
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Turalska P.

• 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

Kudyba A

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

autor

Nowak R.

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

autor

Homa M.

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

autor

Siewiorek A.

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

autor

Boroń Ł.

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

autor

Klasik A.

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

Bibliografia

• 1. Sobczak, N. et al. (2007). The factors affecting wettability and bond strength of solder joint couples. Pure Appl. Chem., 79(10), 1755−1769.
• 2. Siewiorek, A. et al. (2013). Effect of PCB substrate surface finish and flux on solderability of lead-free SAC305 alloy. J. Mater. Eng. Perform., 22(8), 2247−2252.
• 3. Sobczak, N. et al. (2007). ATLAS of microstructures of solder alloys and solder/metal interfaces. Part I: Optical Microscopy. Warsaw: Motor Transport Institute, Cracow: Foundry Research Institute.
• 4. Sobczak, N. et al. (2012). Examination of early stage of intermetallic compound formation during interaction between liquid tin and solid copper substrates. [In:] Kroupa, A. (ed.), Handbook of High-Temperature Lead-Free Solders, vol. 3: Group project reports, COST office, 143−148.
• 5. Kroupa, A. et al. (2012). Current problems and possible solution in high-temperature lead-free soldering. J. Mater. Eng. Perform., 21(5), 629−637.
• 6. Sobczak, N. et al. (2008). Sprawozdanie z realizacji projektu „Nowoczesne techniki pomiarowe kompleksowych badań ciekłego metalu i wysokotemperaturowego oddziaływania w kontakcie z materiałami stałymi” (zlec. 7013/00), Kraków: Instytut Odlewnictwa.
• 7. http://alpha.alent.com/en/Products/Soldering-Alloys/Vaculoy-SAC-305-387-405.
• 8. Sobczak, N. et al. (2008). Experimental complex for investigations of high-temperature behavior of molten metals in contact with refractory materials. Mat. Sci. Eng. A, 495(1), 43−49.
• 9. 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, 241−253.
• 10. ASTRA Reference Book, IENI, Report, Oct. 2007.
• 11. Kudyba, A. et al. (2013). Wpływ utleniania podłoża niklowego na zwilżanie w układzie stop przemysłowy 226D/Ni / Effect of substrate oxidation of nickel on wetting behaviour in industrial alloy 226D/Ni system. Prace Instytutu Odlewnictwa / Transactions of FRI, 53(3), 27−44.
• 12. Sobczak, N. et al. (2001). Wetting-bond strength relationship in Al-AlN system. Transactions of JWRI, 30, 125−130.
• 13. 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, 2547−2551.
• 14. Kim, K. S., Huh, S. H., Suganuma, K. (2002). Effects of intermetallic compounds on properties of Sn–Ag–Cu lead-free soldered joints. J. Alloys Compd., 352(1−2), 1−11.
• 15. Mahat, M. M. et al. (2011). Interfacial reactions between lead-free solders and Ni/Au surface finishes. Can. J. Mechanical Sciences & Engineering, 2(3), 37−41.