FORRASZTOTT KÖTÉSEK MIKROSZERKEZETÉNEK ÚJ VIZSGÁLATI ELJÁRÁSAI

FORRASZTOTT KÖTÉSEK MIKROSZERKEZETÉNEK ÚJ VIZSGÁLATI ELJÁRÁSAI Hurtony Tamás, doktorjelölt, BME-ETT Gordon Péter, témavezető, BME-ETT MTA Műszaki Tudományok Osztálya „Új irányok és eredmények a mikro- és nanotechnológiák területén” tudományos osztályülés Budapest, 2013. május 15. BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

TARTALOM • Bevezetés • Ólommentes forrasztott kötés jellemzői • Ólommentes forraszötvözetek finomszerkezetének morfológiai jellemzése • Ötvözetek finomszerkezetének vizsgálata keresztmetszeti csiszolatokon • Szelektív elektrokémiai maratás

• Ólommentes forraszötvözetek finomszerkezetének számszerű jellemzése • Elektrokémiai impedancia spektroszkópia • Kisszögű neutronszórási kísérletek

• Összefoglalás

Hurtony Tamás- Forrasztott kötések mikroszerkezetének új vizsgálati eljárásai

2/18

BEVEZETÉS • A forrasztás szerepe: mechanikus és galvanikus kapcsolat megteremtése • A makroszkopikus tulajdonságokra hatással van a mikroszerkezet • A legelterjedtebben használt, három összetevős ólommentes forraszagyag fázisdiagramja (Sn96.5Ag3.0Cu0.5)

A mikroszerkezetet alakító intermetallikus vegyületek (IMC): Ag3Sn; Cu6Sn5; Cu3Sn Hurtony Tamás- Forrasztott kötések mikroszerkezetének új vizsgálati eljárásai

3/18

BEVEZETÉS A forrasztott kötések vizsgálatának jelenlegi módszerei: • Keresztmetszeti csiszolatkészítés, • optikai mikroszkópos vizsgálat • pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat (SEM) • Energia diszperziv spektroszkópia (EDS) • Kémiai maratással kombinált keresztmetszeti csiszolatkészítés

Cu6Sn5 IMCs

Ag3Sn IMCs

Cu6Sn5 IMC réteg

Cu6Sn5 IMCs

Cu forrfelület Cu forrfelület

Optikai mikroszkópos kép

SEM-BSE felvétel


4/18 4

ÓLOMMENTES FORRASZÖTVÖZETEK FINOMSZERKEZETÉNEK MORFOLÓGIAI JELLEMZÉSE

Forrás: Tu, King-Ning, Solder Joint Technology, Springer Series in Materials Science, Vol. 92

• A maratási eljárások hagyományos metallográfiai mintaelőkészítési módszerek • A szelektív marószerek használata sem ismeretlen (salétromsav- ecetsav-glicerin, salétromsav- sósav-metanol ) • DE nem kontrollálható kellőképpen, a szelektivitás sem kielégítő • A forrasz tömbi anyagából kiemelkedő IMC vegyületek megfigyelhetők, de a finomabb struktúrák elmaródnak


5/18

ELEKTROKÉMIAI CELLA FELÉPÍTÉSE Setup:

Referencia elektród Munkaelektród

3 elektródás cella (W-SnAgCu, C-rozsdamentes acél, R-SCE) Voltalab PGZ-301 potentiostat amperometry -350 mV vs. SCE

Ellenelektród

Ag

KCl, AgCl sóval telítve

Elektrolit: 1% cc. H2SO4 Hurtony Tamás- Forrasztott kötések mikroszerkezetének új vizsgálati eljárásai

6/18

ÓLOMMENTES FORRASZÖTVÖZETEK FINOMSZERKEZETÉNEK MORFOLÓGIAI JELLEMZÉSE

Ag3Sn

Cu6Sn5 Cu6Sn5

Cu forrfelület

(Gőzfázisú forrasztás, Sn96.5Ag3.0Cu0.5)


7/18

ÓLOMMENTES FORRASZÖTVÖZETEK FINOMSZERKEZETÉNEK MORFOLÓGIAI JELLEMZÉSE Lézeres

Gőzfázisú Ag3Sn IMC

Sn szemcsék Lézeres

Gőzfázisú

void Cu6Sn5 IMC határréteg Cu forrfelület Hurtony Tamás- Forrasztott kötések mikroszerkezetének új vizsgálati eljárásai

8/18

ÓLOMMENTES FORRASZÖTVÖZETEK FINOMSZERKEZETÉNEK MORFOLÓGIAI JELLEMZÉSE A mikroszerkezet anyagainak elemzése EDS-sel SEM

Cu6Sn5

SEM-EDS

Ag3Sn

Cu6Sn5 IML

(Gőzfázisú forrasztás, Sn96.5Ag3.0Cu0.5) Hurtony Tamás- Forrasztott kötések mikroszerkezetének új vizsgálati eljárásai

9/18

ÓN és IMC ARÁNY MEGHATÁROZÁSA


10/18

MINTAELŐKÉSZÍTÉS Beágyazó anyag

IMC finomszerkezet • Fehérfényű interferométeres mérések • A visszamaradt marási front mélységének meghatározása minden vonal mentén => geometriai térfogat Hurtony Tamás- Forrasztott kötések mikroszerkezetének új vizsgálati eljárásai

11/18

ELEKTROKÉMIAI IMPEDANCIA SPEKTROSZKÓPIA (EIS) SAC forrasz bump

Cu pad

Zc

Minta maratás előtt • EIS sima felszín

Elektrolit Ellenelektród

Zc Elektrolit

Minta maratás után • EIS a mikroszerkezet által meghatározott felszínen


12/18

A MIKROSZERKEZET HATÁSA AZ IMPEDANCIA MENETRE Minta maratás előtt

w0=1/RctCdl w

Minta maratás után

A Randles cella modell és a töltésátadási ellenállás növekmény:

ellenelektród

munkaelektród

Rs: soros ellenállás Rct: töltésátadási ellenállás Cdl: kettősréteg kapacitás W: Warburg impedancia


13/18

KISSZÖGŰ NEUTRONSZÓRÁS • Rugalmas, koherens szóráson alapuló, 10-1000Å méretű inhomogenitások tanulmányozására szolgáló szerkezetvizsgálati módszer

Reaktor/hidegforrás

Termosztát Neutronvezetők

Kollimátor rendszer (teleszkóppal)

Yellow Submarine

Sebesség szelektor

Nyalábzár

Másodlagos nyalábzár

Mintaváltó

Monitor

Belépő ablak

Forrás: Rosta, L., Cold neutron research facility at the Budapest Neutron Centre. Appl. Phys. A, 2002. 74: S52-S54.

Kilépő ablak

2D detektor

• KFKI - Budapest Neutron Center (BNC) Hurtony Tamás- Forrasztott kötések mikroszerkezetének új vizsgálati eljárásai

14/18

KISSZÖGŰ NEUTRONSZÓRÁS • Cél a differenciális szórási hatáskeresztmetszet meghatározása, •

a szóró részecskék alakjára, méretére, méreteloszlására és a részecskék közötti kölcsönhatásokra vonatkozó információk

• A kontraszt a neutronszóráshossz-sűrűség függvénye A szórási szög függő intenzitás

I (q)  I 0  ( )TV

A szóráshossz-sűrűség

 (q) 



Mikroszkopikus differenciális szórási hatáskeresztmetszet

 (q)  N pV p2 ( ) 2 P(q) S (q)  Bg  Np: a szóró részecskék koncentrációja a mintában Vp: egy szóró részecske térfogata, P(q): az úgynevezett alaktényező S(q): a részecskék közötti szerkezeti tényező Bg: az inkoherens izotróp háttér

b

i

i

Ve

A kontraszt

( ) 2  ( p   m ) 2

I0 : a beeső nyaláb intenzitása, Q: a szórási változó, η(λ) a detektor érzékenysége (hullámhosszfüggő, λ) T: a minta transzmissziója, V: térfogat bi: az i. részecske neutron szóráshossza


15/18

KISSZÖGŰ NEUTRONSZÓRÁS Lassan hűtött

Szabadon hűlt

Gyorsan hűtött


16/18

KISSZÖGŰ NEUTRONSZÓRÁS

I(q), cm-1

EREDMÉNYEK

q, Å-1

• • •

A gyorsabban hűlt mintákban finomabb mikroszerkezet alakul ki Finomabb szerkezet = nagyobb felület EIS mérések validálására alkalmas Hurtony Tamás- Forrasztott kötések mikroszerkezetének új vizsgálati eljárásai

17/18

ÖSSZEFOGLALÁS • A forrasztott kötések makroszkopikus tulajdonságait részben a forrasztás során kialakuló mikroszerkezet határozza meg • Olyan új vizsgálati módszert dolgozunk ki, ami a mikroszerkezet számszerű jellemzésére alkalmas. • Segítségével minden korábbi modszernél részletgazdagabb képet kapunk a forrasz belső struktúrájának morfológiájáról • Az eltérő technológiai paraméterekkel forrasztott kötések számszerűen összehasonlíthatók és jellemezhetők • A karakterizált mikroszerkezet és makroszkopikus tulajdonságok összerendelése elvégezhető • A forrasztott kötés szelektív elektrokémiai maratással kombinált metallográfiai vizsgálata számszerű mutatókkal utal a forrasz minőségére és várható élettartamára.


18/18

Köszönetnyilvánítás • Köszönet Gordon Péter témavezetőmnek a folyamatos támogatásért és a rendszeres segítségért • Köszönet a BME-ETT hibaanalitika csapatának: Kovács Róbertnek, Rigler Dánielnek, Gubó Istvánnak a sok segítségért és támogatásért • Az elektrokémiai mérésekben nyújtott segítségért köszönet: Bonyár Attilának, és Kérdő Tamásnak • A neutron szórási kísérletekben nyújtott segítségért köszönet a Budapesti Neutron Center munkatársainak: Rosta Lászlónak, Almássy Lászlónak, Szakál Alexnek és Kugler Sándornak • Köszönet illeti Harsányi Gábort, valamint az Elektronikai Technológia Tanszék valamennyi munkatársát


19/18

FORRASZTOTT KÖTÉSEK MIKROSZERKEZETÉNEK ÚJ VIZSGÁLATI ELJÁRÁSAI

Recommend Documents