(%96,5-x)Sn-%2Ag-%0,5Cu-%1Bi-%xAl lehim alaşımlarının arayüzey ıslatma ve fiziksel özelliklerinin geliştirilmesi
Improvement of wetting and physical properties at the interface of (%96.5-X)Sn-%2Ag-%0.5Cu-%1Bi-%XAl solder alloys
Yazar: SERKAN OGUZ
Danışman: DOÇ. DR. AHMET MUSTAFA ERER
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Teknolojik ürünler, hayatımızın vazgeçilmez bir parçası olan elektrikli ve elektronik cihazlar yaygın olarak kullanılmakta olup, bu cihazlar ömürlerini tamamladıklarında çevre ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkiler oluşturmaktadır. Elektrik ve elektronik endüstrisinde kullanılan kurşun içeren Sn-Pb lehim alaşımlarının Pb elementinin toksik olması nedeniyle, AB'nin RoHS ve WEEE direktifleri ile kullanımı sınırlandırılmıştır. Bu durum, alternatif kurşunsuz lehim alaşımlarının geliştirilmesini zorunlu kılmıştır. Bu çalışmada, SAC-1Bi (Sn-2Ag-0,5Cu-1Bi) alaşımına Al ilavesinin mikroyapı, ıslatma ve elektriksel iletkenlik özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Sn-Al optimizasyonu sağlanarak (%0,05, %0,10, %0,20, %0,40 ve %0,60 Al ilaveleri) üretilen alaşımlar değerlendirilmiştir. Al katkısının, özellikle %0,1 oranında, mikroyapısal özellikler ve ıslatma kabiliyeti üzerinde en iyi etkiyi oluşturduğu gözlemlenmiştir.
Alaşım numuneleri, Argon (Ar) gazı atmosferinde Cu altlık üzerinde hibrit (pendant+sessile) damla yöntemi ile yayılma testine tabi tutulmuştur. Temas açısı ölçümleri ve ıslatma özellikleri incelenmiş, sonuçlar SEM-EDX, XRD ve DSC analizleri ile desteklenmiştir. Elektriksel iletkenlik, korozyon ve mekanik testler, alaşımların performansını değerlendirmek için kullanılmıştır. %0,1 Al ilaveli numune, en düşük temas açısı (38,44°) ile en iyi ıslatma performansını göstermiştir. SEM-EDX analizleri, Al ilavesinin mikroyapısal homojenliği artırdığını ve intermetalik fazların (Ag3Sn, Cu6Sn5) dağılımını iyileştirdiğini göstermiştir. Bu fazların varlığı, alaşımların mekanik ve elektriksel özelliklerini olumlu yönde etkilemiştir. 1M HCl çözeltisindeki korozyon testleri, Al ilavesinin korozyon direncini artırdığını göstermiştir. %0,1 Al içeriği ile üretilen alaşım, korozyon hızını ve korozyon sonrası yüzeydeki bozuklukları azaltmıştır. SACBi-0,1Al alaşımı, en düşük korozyon akım yoğunluğunu (11,75 μA/cm²) ve korozyon hızını (0,326 mm/yıl) göstermiştir. Elektriksel iletkenlik testleri, Al ilavesinin elektriksel iletkenlik üzerinde hafif bir olumsuz etki oluşturduğunu göstermiştir. %0,1 Al içeriği ile üretilen SACBi-0,1Al alaşımının elektriksel direnç değeri 7,64748 × 10-7 Ωm olarak belirlenmiştir. Bu değer, saf SAC-1Bi alaşımının (6,89535 × 10-7 Ωm) üzerinde olmasına rağmen, kabul edilebilir seviyelerde kalmaktadır. DSC analizleri, Al ilavesinin alaşımların ergime sıcaklığını düşürdüğünü göstermiştir. %0,1 Al içeriği ile üretilen alaşımın ergime sıcaklığı 212,5°C olarak belirlenmiştir. Bu değer, saf SAC-1Bi alaşımının (219,0°C) altındadır.

Abstract:
Technological products, which are indispensable parts of our lives, are widely used electrical and electronic devices. When these devices reach the end of their life, they have adverse effects on the environment and human health. The use of lead-containing Sn-Pb solder alloys in the electrical and electronic industry has been restricted by the EU's RoHS and WEEE directives due to the toxicity of the Pb element. This situation has necessitated the development of alternative lead-free solder alloys. In this study, the effects of Al addition on the microstructure, wettability, and electrical conductivity properties of the SAC-1Bi (Sn-2Ag-0.5Cu-1Bi) alloy were investigated. Alloys produced by Sn-Al optimization (0.05%, 0.10%, 0.20%, 0.40%, and 0.60% Al additions) were evaluated. It was observed that the Al addition, particularly at 0.1%, had the best effect on microstructural properties and wettability.
Alloy samples were subjected to spreading tests on a Cu substrate under Argon (Ar) gas atmosphere using the hybrid (pendant+sessile) drop method. Contact angle measurements and wettability properties were examined, and the results were supported by SEM-EDX, XRD, and DSC analyses. Electrical conductivity, corrosion, and mechanical tests were used to evaluate the performance of the alloys. The sample with 0.1% Al addition exhibited the best wetting performance with the lowest contact angle (38.44°). SEM-EDX analyses showed that the addition of Al increased microstructural homogeneity and improved the distribution of intermetallic phases (Ag3Sn, Cu6Sn5). The presence of these phases positively affected the mechanical and electrical properties of the alloys. Corrosion tests in 1M HCl solution showed that the addition of Al increased corrosion resistance. The alloy produced with 0.1% Al content reduced the corrosion rate and surface defects after corrosion. The SACBi-0.1Al alloy demonstrated the lowest corrosion current density (11.75 μA/cm²) and corrosion rate (0.326 mm/year). Electrical conductivity tests showed that the addition of Al had a slight adverse effect on electrical conductivity. The electrical resistivity value of the SACBi-0.1Al alloy produced with 0.1% Al content was determined to be 7.64748 × 10-7 Ωm. Although this value is higher than that of pure SAC-1Bi alloy (6.89535 × 10-7 Ωm), it remains at acceptable levels. DSC analyses showed that the addition of Al reduced the melting temperature of the alloys. The melting temperature of the alloy produced with 0.1% Al content was determined to be 212.5°C. This value is lower than that of the pure SAC-1Bi alloy (219.0°C).