INVESTIGATION OF WETTING AND PHYSICAL PROPERTIES OF (96.5-x)Sn-2Ag-0.5Cu-1In-(x)Al QUINARY LEAD-FREE SOLDER ALLOY SYSTEMS

Abstract

ABSTRACT

In this study, aluminum (Al) was added to a SAC205-1In in order to produce (96.5-x)Sn-2Ag-0.5Cu-1In-(x)Al, quinary solder alloys that do not contain lead (Pb), where (x = 0.3 wt%, 0.5 wt%, 0.7 wt%, 0.8 wt%, and 0.9 wt%). By optimizing Sn-Al, manufacturing costs for new Pb-free solder alloys will be reduced. The produced quinary solder alloys were examined for X-RAY fluorescence (XRF) analysis, and the accuracy of the metal ratios in all new quinary lead-free solder alloys was determined by weight percentage. Differential scanning calorimeter (DSC) tests were conducted for all new quinary lead-free solder alloys. The results showed that adding Al to SAC205-1In (217.7 0C) slightly reduced the melting points. The lowest melting point among all new quinary solder alloys in this study was 214.3 0C for SAC205-1In-0.3Al. The melting point of the quinary lead-free solder alloy (SAC205-1In-0.3Al) decreased compared to SAC205-1In and SAC305.

The wetting experiments were performed on a Cu substrate in an Ar environment using the hybrid drop technique (pendant and sessile drop technique) at predetermined temperatures of 275 0C, 300 0C, and 325 0C to measure the wettability of the produced solder alloys. At a temperature of 325 0C, the lowest average contact angle of three positive wetting experiments of SAC205-1In-0.3Al was 39.880, indicating the highest wettability. SAC205-1In-0.3Al showed the lowest mean contact angle of 42.870 at 325 0C, while the mean contact angle for SAC205-1In-0.5Al was 43.060, for SAC205-1In-0.7Al was 50.450, for SAC205-1In-0.8Al was 43.940, and for SAC205-1In-0.9Al was 44.780. The results of the wetting experiments revealed that the contact angle decreases as the temperature increases for all new quinary lead-free solder alloys. This study involved conducting XRD and SEM-EDX analyses to study the microstructure properties of the new quinary solder alloys and how adding aluminum (Al) affects the formation of IMCs in the alloy. The analysis results confirmed the formation of various IMCs, such as Ag3Sn, Ag2Al, Ag3Al, Al2Cu, AlCu, Cu3Sn, and Cu6Sn5. Adding (Al) to the SAC solder alloys resulted in the formation of Ag-Al and Cu-Al IMC and reduced the growth of Ag3Sn and Cu6-Sn5 IMC. Additionally, this study examined how adding aluminum to the SAC205-1In-xAl solder alloys in a 1M hydrochloride acid HCl solution affects their corrosion behavior. HCL acid is known to have a faster corrosion rate than other electrolytes due to the presence of chlorine (Cl-) and hydrogen (H+) ions compared to other electrolytes like salt and alkaline solutions, which only have one type of ion, produced solder alloys exhibited slightly different corrosion potentials when Al was added, in comparison to the corrosion potentials of SAC305 and SAC205-1In. The corrosion rates followed a pattern where, adding 0.8 wt% Al reduced the corrosion rate, but as less aluminum was replaced with tin, the corrosion rate slightly increased. Furthermore, the corrosion rates of SAC205-1In were enhanced by the addition of Al. This study also utilized a two-point probe technique to examine the electrical resistivity of cross-sectioned samples of developed quinary lead-free solder alloys. The results indicated that as the percentage of aluminum weight increased, so did the electrical resistivity, peaking at 0.9 wt%. Compared to the previous SAC305 solder alloy, all the quinary lead-free solder alloys exhibited a slightly higher electrical resistivity. The solder alloy with 0.3Al added is the best conductor for the current, as it has the lowest electrical resistivity value 1.07×10^(-6) Ω.m. Meanwhile, shear test was carried out to assess the reliability of the solder joints. The maximum shear strength was measured as 155.94 MPa for the SAC205-1In-0.8Al solder alloy.

ÖZET

Bu çalışmada SAC205-1In’a alüminyum (Al) ilave edilerek beşli birer kurşunsuz lehim alaşımı olan (96.5-x)Sn-2Ag-0.5Cu-1In-(x)Al (x = 0.3 wt%, 0.5 wt%, 0.7 wt%, 0.8 wt%, ve 0.9 wt%) üretilmiştir. Sn-Al optimizasyonu sağlanarak yeni beşli kurşunsuz lehim alaşımlarının üretim maliyeti düşürülecektir. Üretilen beşli lehim alaşımları X-Işını Floresans (XRF) analizine tabi tutuldu ve tüm yeni beşli kurşunsuz lehim alaşımlarındaki metal oranlarının doğruluğu ağırlık yüzdesi ile belirlendi. Tüm yeni beşli kurşunsuz lehim alaşımları için diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) testleri yapıldı. Sonuçlar, SAC205-1In'a Al eklenmesinin erime noktalarını hafifçe düşürdüğünü gösterdi. Bu çalışmadaki tüm yeni beşli lehim alaşımları arasında en düşük erime noktası SAC205-1In-0.3Al için 214.3 0C oldu. Beşli kurşunsuz lehim alaşımı SAC205-1In-0.3Al’un erime noktası, SAC205-1In ve SAC305'e kıyasla azaldı.

Islatma deneyleri, üretilen lehim alaşımlarının ıslanabilirliğini ölçmek için önceden belirlenmiş 275 0C, 300 0C ve 325 0C sıcaklıklarda Hibrit damla tekniği kullanılarak Ar ortamında bir Cu altlık üzerinde gerçekleştirildi. 325 0C sıcaklıkta SAC205-1In-0.3Al'un üç pozitif ıslatma deneyinin en düşük ortalama temas açısı 39.880 ile en yüksek ıslanabilirliği gösterdi. Ortalama temas açısı 325 0C'de SAC205-1In-0.5Al için 43.060, SAC205-1In-0.7Al için 50.450, SAC205-1In-0.8Al için 43.940 ve SAC205-1In-0.9Al için 44.780 olurken SAC205-1In-0.3Al en düşük ortalama temas açısı olarak 42.870 göstermiştir. Islatma deneylerinin sonuçları, tüm yeni beşli kurşunsuz lehim alaşımları için sıcaklık arttıkça temas açısının azaldığını ortaya çıkardı. Bu çalışma, yeni beşli lehim alaşımlarının mikroyapı özelliklerini ve alüminyum (Al) ilavesinin alaşımdaki IMC oluşumunu nasıl etkilediğini incelemek için XRD ve SEM-EDX analizlerinin yapılmasını içermektedir. Analiz sonuçları Ag3Sn, Ag2Al, Ag3Al, Al2Cu, AlCu, Cu3Sn ve Cu6Sn5 gibi çeşitli IMC'lerin oluşumunu doğrulamaktadır. SAC lehim alaşımlarına Al eklenmesi, Ag-Al ve Cu-Al IMC'nin oluşmasını sağlamış ve Ag3Sn ve Cu6Sn5 IMC gelişimini azaltmıştır. Ek olarak bu çalışma, 1M hidroklorür (HCl) asit çözeltisindeki SAC205-1In-xAl lehim alaşımlarına alüminyum eklemenin korozyon davranışlarını nasıl etkilediğini incelemiştir. HCL asidinin, yalnızca tek tür iyona sahip olan tuz ve alkalin çözeltileri gibi diğer elektrolitlerle karşılaştırıldığında, klor (Cl-) ve hidrojen (H+) iyonlarının varlığı nedeniyle diğer elektrolitlerden daha hızlı korozyon oranına sahip olduğu bilinmektedir. Üretilen lehim alaşımları, Al eklendiğinde SAC305 ve SAC205-1In'un korozyon potansiyellerine kıyasla biraz farklı korozyon potansiyelleri göstermiştir. Korozyon oranları, ağırlıkça %0.8 Al ilavesinin korozyon hızını azalttığı bir model izlemiştir, ancak daha az alüminyumun kalayla değiştirilmesiyle korozyon hızı biraz artmıştır. Ayrıca SAC205-1In'un korozyon oranları Al ilavesiyle arttırılmıştır. Bu çalışmada ayrıca, geliştirilen beşli kurşunsuz lehim alaşımlarının kesit örneklerinin elektriksel özdirencini incelemek için iki noktalı sonda tekniği kullanılmıştır. Sonuçlar, alüminyum ağırlık yüzdesi arttıkça elektrik özdirencinin de arttığını ve ağırlıkça % 0.9'a ulaştığını göstermiştir. Önceki SAC305 lehim alaşımıyla karşılaştırıldığında tüm beşli kurşunsuz lehim alaşımları biraz daha yüksek bir elektriksel özdirenç sergilemiştir. 0.3Al ilaveli lehim alaşımı, 1.07×10^(-6) Ω⋅m ile en düşük elektriksel özdirenç değerine sahip olduğundan akım için en iyi iletken olmuştur. Bunun yanında lehim bağlantılarının güvenilirliğini belirlemek için kesme testi yapılmıştır. Maksimum kesme dayanımı 155.94 MPa olarak SAC205-1In-0.8Al lehim alaşımı için ölçülmüştür.