Mikroelektronik devrelerde kurşunsuz lehim alaşımlarının ısıl, elektriksel, mekanik ve yapısal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the thermal, electrical, mechanical and structural properties of lead-free solder alloys in microelectronic circuits
Yazar: PINAR ATA ESENER
Danışman: PROF. DR. BİLAL DEMİREL
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Kalay (Sn)-kurşun (Pb) lehim alaşımları, kurşunun insan ve çevre sağlığını tehdit etmesi nedeniyle başta elektronik olmak üzere farklı lehimleme alanlarına uyum sağlamak için Sn-Pb'nin yerini alabilecek alaşım arayışları artarak devam etmektedir. Birleşim yerlerinde lehimler termal ve elektriksel özellikler açısından ne kadar iyiyse devre performansı da o kadar iyidir.
Bu çalışmada, Sn-9Zn-4Bi alaşımına ağırlıkça %0.5-2 oranında antimon (Sb) ve ağırlıkça %0.5-1.5 oranında indiyum (In) ilavesiyle kurşunsuz lehim alaşımları üretilmiştir. Daha sonra bu alaşımların lineer ısı akış yöntemiyle ısıl iletkenlik; dört nokta prob yöntemiyle elektriksel iletkenlik; diferansiyel tarama kalorimetresi (DSC) ile erime davranışları, entalpi, ısı kapasitesi; taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile mikroyapı görüntüleri; SEM-EDX ile fazların kimyasal bileşim analizleri; X-ısını difraksiyonu (XRD) ile kristal sistemler, örgü parametreleri, Miller indisleri belirlenmiştir. Bununla birlikte Wiedemann-Franz yasası kullanılarak ısıl iletkenliğe elektron ve fonon katkıları hesaplanmıştır. Üretilen lehim alaşımları mikroelektronik devrelerde kullanım kolaylığı sağlamak amacıyla kriyojenik öğütme ile toz haline getirilmiş ve taneciklerin boyut analizi yapılmıştır. Ayrıca mekanik özelliklerden mikrosertlik ve çekme-dayanım deneyleriyle lehim alaşımlarında meydana gelen değişimler incelenmiştir.

Abstract:
Tin (Sn)-lead (Pb) solder alloys are increasingly sought for alloys that can replace Sn-Pb in order to adapt to different soldering areas, especially electronics since lead threatens human and environmental health. The better the solder in terms of thermal and electrical properties, the better the circuit performance. 
In this study, lead-free solder alloys were produced by adding 0.5-2 mass percent (wt.%) antimony (Sb) and 0.5-1.5 mass percent (wt.%) indium (In) to the Sn-9Zn-4Bi alloy. Then, the thermal conductivity of these alloys by linear heat flow method; electrical conductivity by the four-point probe method; melting behaviors, enthalpy, heat capacity with differential scanning calorimetry (DSC); microstructure images by scanning electron microscope (SEM); Chemical composition analysis of phases with SEM-EDX; Crystal systems, lattice parameters, Miller indices were determined by X-ray diffraction (XRD). In addition, electron and phonon contributions to thermal conductivity were calculated using the Wiedemann-Franz law. Produced solder alloys were powdered by cryogenic grinding to provide ease of use in microelectronic circuits and the size analysis of the particles was made. In addition, the changes in the brazing alloys with the microhardness and tensile strength tests, which are the mechanical properties, were investigated.