مقدمه

سیستم آلیاژی Sn-Ag از جمله مواد زود ذوب هستند که با توجه به خواص مکانیکی مناسب، هدایت الکتریکی خوب و سازگاری با محیط زیست، به عنوان یکی از رایجترین سیستم های جایگزین برای سیستم آلیاژی مرسوم Sn-Pbتوسعه یافته و جهت استفاده در بسته بندی های الکترونیکی و اتصالات اجزاء، در مدارهای چاپی کاربرد گسترده ای یافته اند .

نقره خواص استحکامی بالاتری را نسبت به آلیاژ مرسوم Sn-Pb فراهم می آورد اما انعطاف پذیری پایین تری نسبت به سرب دارد و در غیاب سرب مقاومت به خستگی حرارتی این آلیاژ را افزایش می دهد .همچنین نقره هدایت حرارتی و الکتریکی را در این سیستم بهبود می بخشد. با این حال دمای ذوب بالاتر سیستم Sn-Ag و ترشوندگی کمتر آن نسبت به سیستم Sn-Pb و همچنین وجود متغیرهای متعدد حاکم بر رفتار مکانیکی و تغییرشکلی اتصالات لحیمی محققین را به سمت بهبود خواص و کارآیی سیستم Sn-Ag به روشهای مختلف از جمله افزودن عناصر آلیاژی از قبیل Sb،Zn،Cu و Bi و همچنین استفاده از عملیات حرارتی و مکانیکی جهت ریزکردن و جلوگیری از رشد دانه قلع زمینه و.. سوق داده است .

در این سمینار سیستم آلیاژی Sn-Ag معرفی گردیده، کاربردها و خواص مکانیکی به خصوص خواص خزشی این آلیاژ ها تشریح شده و به صورت خلاصه تأثیر عناصر مختلف آلیاژی و عملیات حرارتی بر این خواص بیان می گردد .

فهرست مطالب

چکیده……………………………………………………………………..1   

مقدمه   …………………………………………………2

1-قلع   ……………………………………………………..3

1-1) خواص فیزیکی و شیمیایی قلع…………………………………..3

1-2) اثرات قلع بر سلامتی انسان و پیامدهای زیست محیطی آن……………….3 

2-آلیاژ sn-Ag……………..ا…………………………………4

2-1) بررسی ریزساختار یوتکتیک Sn-Ag…..ا…………. 6

2-2) بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی آلیاژ Sn-Ag…..ا………………6

2-2-1) خواص کششی…………………..6

2-2-2) مدول یانگ……………………….9

2-2-3) تنش تسلیم…………………………10

2-2-4) اثر ریزساختار بر استحکام تسلیم ………………………..10

2-2-5) ضریب انبساط حرارتی( CTE)…..ا……………………12

2-2-6) رفتار خستگی …………………………………………13

2-2-2) خواص خزشی………………….   15

2-2-7-1) خزشِ کششیِ بالک Sn-Ag……………ا……..16

2-2-7-2) خزش با فرورونده هرمی بالک Sn-3.5Ag…..ا……………..91

2-2-8) اثر انحلال مس بر ریزساختار …………………….18

2-2-9) دمای ذوب………………………………91

2-2-01) درشت دانه شدن موضعی ریز ساختار…………………19

2-2-11) پیرسازی………………20

2-2-21) پایداری دمای بالا……………………20

3-1- سیستم sn-Ag-Bi………ا…………..21

3-1-2) تأثیر بر روی دمای ذوب…………………   21

3-1-3) خواص مکانیکی…………………….22

3-1-3-1) استحکام و انعطاف پذیری………………….       22

3-1-3-2) خواص خزشی         ……………..32

3-1-3-3) مقاومت خستگی       …………….23

4-3- سیستمsn-Ag-Bi-In …….ا………….32

3-4-1) ریزساختار…………………………………….23

3-4-2) خواص مکانیکی………………..25

3-5- سیستمsn-Ag-Cu…….ا………..25

3-5-1) ساختارها…………………………………26

3-5-2) ترکیب یوتکتیک سه تایی و دمای ذوب…………….26

3-5-3) گوشه غنی از قلع در سیستم Sn-Ag-Cu           ………..ا……..27

3-5-4) ریز ساختار……………………………27

3-5-4-1) انجماد آلیاژهای پایه Sn-Ag-Cu……..ا………..30

3-5-4-2) مورفولوژی……………………30

3-5-4-3) انجماد یوتکتیک شبه دوتایی………………………32

3-5-4-4) یوتکتیک سه تایی غایب ………………………..32

3-5-4-5) اثر سرعت سرد کردن …………………..32

3-5-4-6) اثر میزان نقره بر تشکیل صفحه Ag3Sn…………………..ا……33

3-5-4-7) سرعت و تاثیر حلالیت مس……………………………33

3-5-5) اثر سرعت سرد کردن بر خواص آلیاژهای .Sn-Ag-Cu…………ا……35

3-5-5-1) خواص استحکامی……………………………..35

3-5-5-2) انعطاف پذیری……………………………..35

3-5-5-3) اثر نرخ کرنش……………………………….36

3-5-5-4) تغییر شکل خزشی…………………………………..37

3-6- سیستمsn-Ag-Cu-Bi.ا…………………………………………… 38

3-7- سیستم Sn-Ag-Bi-In …..ا………………………………………….38

3-7-1) ریز ساختار………………………………………..39

3-7-2) اثر اضافه کردن ایندیوم بر روی دمای ذوب………….39

3-7-3) خواص مکانیکی……………………40

3-8- سیستم Sn-Ag-Cu-Sb…..ا…………………..39

3-8-1) سرعت رشد ترکیبات بین فلزی………..41

3-8-2) خواص مکانیکی           41…………….

3-8-2-1) استحکام و پلاستیسیته……………………………………41

3-8-2-2) خواص خستگی…………………………………43

3-9-1) ریز ساختار………………….43

3-9-2) نقش بور به عنوان ریز کننده ساختار …………………….44

3-01-1) ریز ساختار ………………………..44

3-01-2) اثر آنتیموان بر دمای ذوب ……………………44

3-01-3) خواص مکانیکی …………………………44

3-11-1) ریز ساختار……………………………..84

3-11-2) اثر روی بر کاهش دمای ذوب …………………………….84

3-11-3) فعال بودن روی………………………..48

3-11-4) خواص مکانیکی ………………………49

3-11-4-1) اثر اضافه کردن روی بر استحکام و انعطاف پذیری………………….49

منابع و ماخذ………………………………….51

فهرست جدول ها

جدول 1: خواص فیزیکی و شیمیایی قلع ……..1

جدول 2: مقادیر مختلف مدول یانگ گزارش شده برای آلیاژ Sn-3.5Agا……..10

جدول 3: خواص آلیاژهای Sn-3.5Ag حاوی بیسموت………………….. 22

جدول 4: خواص آلیاژهای Sn-Ag-Bi حاوی ایندیوم…………………………….. 25

جدول 5: اثر سرعت سردکردن بر روی ریزساختار برخی آلیاژهای Sn-Ag-Cu….ا…..34

جدول :6پارامترحساسیت به نرخ کرنش برخی آلیاژهای عاری از سرب ……….. 36

جدول7: مقایسه خواص مکانیکی Sn-3.1Ag-0.5Cu-3.5Bi با یوتکتیک Sn-Pb و بعضی آلیاژهای عاری از سرب……  39

جدول 8: اثر متقابل ایندیوم و عناصر موجود در سیستم Sn-Ag-Cu ا…….40

جدول 9: مقای سه خ صوصیات و خ واص مک انیکی Sn-3.0Ag-0.5Cu-8.0In با یوتکتیک Sn-Pb و بعضی آلیاژهای عاری از سرب………….41

جدول01: مقایسه خواص مکانیکی آ لیاژ Sn-Ag-Cu حـاوی Sb بـا یوتکتیـ ک Sn- Pb به عنوان معیار……………………… 42

جدول 11: خواص آلیاژهای Sn-3.5Ag حاوی آنتیموان……………… 45ی

فهرست شکل ها

شکل 1: دیاگرام فاز دوتایی Ag-S

شکل 2: ریزساختار ریختگی آلیاژ (الف)Sn-3.5Ag و (ب)Sn-37Pb

شکل3: نمونه ای از نمودارهای تنش-کـرنش آلیـاژSn-3.5Ag (الـف ) در دمـای ثابت (ب) در نرخ کرنش ثابت……….7

شکل 4: اثر (الف) دما و (ب) نرخ کرنش بر استحکام آلیاژ Sn-3.5Agشکل 5: اثر (الف) دما و (ب) نرخ کرنش برانعطاف پذیری آلیاژ Sn-3.5Ag..ا……8

شکل 6: تغیرات mبر حـسب دمـای همولـوگ بـرای دو آلیـاژSn-3.5Ag وSn-37Pb..ا…………..9

شکل 7: منحنی تنش-کرنش آلیاژ Sn-3.5Ag در شرایط عملیات حرارتی مختلف

شکل8: تصاویر میکروسکوپ نوری آلیاژ یوتکتیکSn-3.5Ag در شرایط مختلـف عملیات حرارتی (الف) آنیل نشده (ب) آنیل شده در دمـایC ˚081 بـه مـدت 0111 دقیقه (ج) آنیل شده در دمای C˚012 به مدت 01 دقیقه

شکل9: تصویرSEM از سطح شکـست آلیـاژSn-3.5Ag در دمـایC ˚52 و در نرخ کرنش 1-s3-01×83/2 که تحت آزمون کشش تک محوری قرار گرفته است

شکل10: ریزساختار سطح اتصالات لحیم بعد از آزمـون برشـی در نـرخ کرنـشهای مختلف (الف) 1s100/0در دمای C˚25، (ب) 1s1/0در دمـایC ˚25، (ج) s411100/0در دمای C˚150و (د) 1s100/0در دمای ˚0ا…….15

شکل 11: اثر دما و نرخ کرنش بر پیک تنش برش آلیاژ Sn-3.5Ag          …..ا………..41

شکل 12: نمودار داده های خزِشِ کششیِ هم دما برای بالک Sn-3.5Ag..ا……..61

شکل 13: نمودار برازش شده خزش آلیاژ Sn-3.5Ag از مدل سینوس هیپربولیک …….ا… 16

شکل 14: مقایسه نمودار های خزش کششی و فرورونده هرمی آلیاژ Sn-3.5Ag ا…………..20

شکل15: اثر دمای پیرسازی بر ریزسـاختار آلیـاژSn-3.5Ag (الـف ) C˚40 (ب) 190˚C (و(د 140˚C (ج) 90..ا………………….21

شکل 16: اثر افزودن بیسموت بر رفتار خستگی آلیاژ Sn-3.5Agا…………..32

شکل 17: تـصاویر SEM ازآلیـاژ ریختگـیSn-3.5Ag-XBi (الـف ) Sn-3.5Ag82 (ب) Sn-3.5Ag-2Bi (ج) Sn-3.5Ag-5Bi (د) Sn-3.5Ag-10B..ا…….23

شکل 18: مورفولوژی سطح آلیاژ Sn-3.5Ag-.5Bi-8In پس از قرار گرفتن در…24

شکل  19: دیاگرام فازی دوتایی (الف) قلع-نقره (ب)قلع-مس (ج)نقره-مس ………..26

شکل20: منـاطق همـدمای محاسـبه شـده در سیـستمSn-Ag-Cu در دماهـای مختلف……….27

شکل 21: نمایش شماتیک منطقه دوتایی برای یک سیستم دوتایی با فازهای زبر………….28

شکل22: نمایش شماتیک منطقه دوتاییِ اُُریب برای یک سیستم دوتایی با فازهای نرم و زبر ……29

شکل23: نمایش شماتیک اثر نرم بودن فاز بر روی ترکیب مـورد نیـاز بـرای رشـد دوتایی سیستم یوتکتیک دوتایی نرم-زبر…… 29

شکل24: تصویر شماتیک رشد فازهای نرم مانندAg3Sn و5Cu6Snدر مایع کـه به شکل هایی منجر می شود که رشد طولی آنها بسیار سریعتر از رشد عرضی است ………..  30

شکل25: نمودار محل تلاقی سه خط واکنش یوتکتیک در ترکیـب یوتکتیـک سـه تایی سیستم Sn- Ag- Cu. آلیاژهای مورد بررسی توسط Moon و همکـاران در  راستای دو خط نقطه چین A و B انجام شده است…….31

شکل26: مرز فازهای بخشA در نمودار شکل52 که به صورت تجربـی بـه دسـت………….. 31

شکل27: مرز فازهای بخشB در نمودار شکل52 که به صورت تجربـی بـه دسـت آمده است……..31

شکل28: تصاویر میکروسکوپی الکترونی از اثر سـرعت سردکردن و میزان نقره بـرروی ریزسـاختار آلیاژهایSn-Ag-Cu : سرد کـردن آرام بـا مقـادیر: (الـ ف) 0/3 (ب) 5/3 (ج) 9/3درصد وزنـیAg ، سـرد کـردن بـا سـرعت متوسـط بـا مقـادیر:(د) 3/0 (ه) 5/3 (و) 9/3 درصد وزنی Agو سرد کـردن سـریع بـا مقـادیر: (ز3) /0(ح) 5/3 (ت) 9/3 درصد وزنی Ag.ا…………33

شکل29: اثر کسر سطحی شبکه یوتکتیک بر تنش تسلیم قـراردادی سـه آلیـاژ ازسیستم    Sn-Ag-Cu….ا…….35

شکل 30: اثر نرخ کرنش بر تنش آلی اژSn-3.5Ag-0.7Cu در دو حالــت سردکردن سریع و آهسته ……….37

شکل31: خواص خزشـی چنـد آلیـاژ عـاری از سـرب در مقایـسه بـا آلیـاژ معیـارX 37ب) X = 0 ( الـف) Sn-3.5Ag-XSbاز آلیاژSEM) …..ا…….83

شکل 32: تصاویر (X =(50/01ه)X = 21/(د X= 58/3  ….ا…..44

شکل33: چرخه هیسترزیس جابجایی برشی بر حسب بار اعمالی برای آلیاژ (الـف ) Sn-3.5Ag-XSb(و (بSn-3.5Ag)…..ا………….45

شکل34: منحنی های تنش-کرنش مهندسی در نرخ کـرنش هـای مختلـف بـرای آلیاژSn-3.5Ag-1.5Sb در دماهای الـف) K892، ب ) K023، ج ) K043، د ) .400 K (و ه 370……..ا…..45

شکل 35: (الف) اتصالSn-3.5Ag قبل از آزمـون خـستگی (ب) تـرک مـاکرو دراتصالSn-3.5Ag بعد از05% افت بار (ج) ترک خستگی در نمونه حـاوی 58 %3/ آنتیموان بعد از05% افت بار (د) ترک ماکرو در نمونه حاوی 58/3% آنتیمـوان بعـد از05% افت بار در بزرگنمایی بالاتر (ه) تـرک خـستگی در نمونـه حـاوی 50 %10/آنتیموان بعد از05% افت بار (و) ترک ماکرو در نمونه حاوی50/01% آنتیموان بعداز 05% افت بار در بزرگنمایی بالاتر…………….. 47

شکل 36: نوع شکست آلیاژ Sn-3.5Ag-XSb به ازای مقادیر مختلف Sb.ا……………47

شکل 37: اثر اضافه کردن Znبر خواص کششی آلیاژ Sn-3.5Ag-XZn…ا…………94

شکل38: اثر اضافه کردن1% روی بر تغییـر شـکل خزشـی آلیـاژSn-3.5Agدر125˚C……..ا…………50

1-1- خواص فیزیکی و شیمیایی قلع

قلع عنصری فلزی به رنگ سفید ـ نقره ای است که در دمای محیط شبکه بلورین تتراگونال و در دمای بالاتر از C˚161ساختار اورترومبیک دارد. قلع معموًلاً در کانیهای کاستریت و استانین در طبیعت یافت می شود و با احیاء زغال در کوره های انعکاسی تولید می شود. قلع معمولی ترکیبی از 9 ایزوتوپ پایدار است و 81 ایزوتوپ ناپایدار دیگر نیز از این عنصر شناخته شده است. این عنصر دارای خاصیت انعطاف پذیری نسبتا خوب و دو شکل آلوتروپی در طبیعتاست. قلع a دارای ساختار مکعبی و به رنگ خاکستری است که در دمایC˚31 بهسفید تغییر رنگ پیدا می کند و قلع b که معمولاً به آن فلز قلع گفته می شود و دارای ساختار بلورین تتراگونال است که در صورت سردکردن این عنصر، رنگ آن از سفید به خاکستری تغییر می یابد   .

آلیاژهای قلع کاربردهای زیادی دارند. از این آلیاژها برای لحیم کاری، فلز چاپ، فلز زودگداز، فلز یاتاقان و غیره استفاده میشود. مقدار کمی قلع در غذا برایانسان بی خطر است. در کشور آمریکا وجود 003 میلی گرم قلع به ازای هر کیلوگرم غذای روزانه بدون ضرر تشخیص داده شده است. بعضی از ترکیبات قلع در آفت کشها کاربرد دارد و در موقع استفاده از آن باید دقت کرد. در طی 52 سال گذشته قیمت قلع تغییرهایزیادی کرده است و از 05 سنت به ازاء هر پوند اخیرًاً به حدود 61 دلار در هر پوند رسیده است [1].

1-2- اثرات قلع بر سلامتی انسان و پیامدهای زیست محیطی آن

قلع عمدتاً در مواد آلی مختلفوجود دارد. پیوندهای قلع آلی، مثل تری اتیل قلع خطرناک ترین نوع قلع برای انسان محسوب می شوند. طول پیوندهای هیدروژن در این ماده نسبتًاً کوتاه است. وقتیپیوندهای هیدروژن در قلع بلندتر باشد، برای سلامت انسان مضر نخواهد بود. انسان ازطریق غذا، تنفس و پوست قلع را جذب می کند. جذب قلع در طولانی مدت آثاری من جمله سوزش چشم و پوست ،سردرد، درد شکم، سرگیجه، اختلال درتنفس و اختلال در دفع ادرار را به همراه دارد. اثرات درازمدت آن شامل افسردگی، آسیب کبد، اختلال سیستم ایمنی، اختلالاتکروموزومی، کاهش تعداد گلبولهای قرمز خون، و آسیب مغز می شود [1].

. ترکیات قلع آلی، مدت زمانی طولانی در محیطباقی می مانند. این ترکیبات بسیار مقاوم هستند و به راحتی تجزیه نمی شوند. بعضی ازمیکرو ارگانیسمها، ترکیبات قلع آلی را تجزیه می کنند و این ماده سالیان متمادی درخاک می ماند. به این علت، غلظت قلع آلی زیاد می شود. وقتی قلع آلی جذب ذرات گلو لای می شود، در سیستمهای آبی پخش می شود. این قلع، به اکوسیستمهای آبی آسیب زیادی می رساند زیرا برای قارچها، جلبکها و فیتوپلانکتونها بسیارسمی است. فیتوپلانکتون، در اکوسیستمهای آبی عضو بسیار مهمی است و اکسیژن لازم برای جانداران دیگر را تامین می کند. به علاوه در زنجیره غذایی آبزیان هم نقش مهمی دارد.

خواص فیزیکی وشیمیایی قلع در جدول1 آورده شده است [1].

جدول1- خواص فیزیکی و شیمیایی قلع [1]

عدداتمی جرم اتمی نقطه ذوب نقطه جوش شعاعاتمی رنگ چگالی
50 118/69 231/93˚C 2602˚C 1/72 Å خاکستری-نقره ای 7/31 gr/cm3

Sn-Agآلیاژ -2

به سبب افزایش روز افزون وسایل و تجهیزات الکترونیکی و لزوم بکار گیری اتصالات برای بسته بندی اجزاء و مدارها، استفاده از آلیاژهای لحیم به سرعت در حال گسترش است. لحیم های Sn-Pb به سبب مجموعه ای از خواص منحصربفرد ازجمله دمای ذوب پایین، ترشوندگی مطلوب، خواص مکانیکی مناسب وقیمت نسبتاً ارزان،بیش از 04 سال است که در بسته بندی های الکترونیکی و اتصالات اجزاء در مدارهای چاپی مورد استفاده قرار می گیرند. به علاوه، این مواد با اجزاء روی بردها سازگارند و حتی هنگامی که تجهیزات و اجزاء برد درخلال بهره برداری در یک محدوده دمایی مشخص، در معرض تغییرات حرارتی مکرر قرار می گیرند ، یکپارچگی خود را حفظ می نمایند. لیکن، مشکلات زیست محیطی مربوط به وجود سرب در لحیم ها، باعثروی آوری به لحیم های عاری از سرب[1] گشته و رقابت برای حذف سرب از فرایند تهیه و تولید محصولات در بازارهای جهانی آغاز گردیده اسـت. بـه طـوریـکـه انـجـمـن ضـایـعـات تجـهیـزات الـکتـریکـی والـکـترونیـکـی اروپـا( WEEE)[2] و نیز انجمن محدودسازی مواد خطرناک( ROHS)[3] وجود هرگونه سرب در صنایع الکترونیکی و برخی صنایع دیگر را ممنوع کردند. اما به علت تجربه محدود و اطلاعات معدود پیرامون لحیم های عارب از سرب، اطمینان خاطر از اتصالاتی که با مواد عاری از سرب ساخته شده اند دشوار است .

در میان آلیاژهای لحیم بیشترین توجه مربوط به آلیاژهای غنی از قلع پایه قلع-نقره( Sn-Ag)،   قلع-مس (Sn-Cu) و قلع-بیسموت( Sn-Bi)و آلیاژهای سهتایی آنهاست [2]. از لحاظ اقتصادی سیستم Sn-Ag، جزء اولین دسته لحیم های عاری از سرب است که برای بستهبندی الکترونیکی[4] مورد استفاده قرار گرفته و خواص مکانیکی مطلوبی از خود نشان داده است. ترکیب شیمیایی مطلوب برای سیستم Sn-Ag ترکیب یوتکتیک یا نزدیک یوتکتیک Sn-3.5Ag است اما، دمای ذوب این آلیاژ( C˚122) باعث

محدود ساختن کاربرد آن شده است. خواصی که برای آلیاژهای پایه Sn-3.5Ag مورد توجه هستند به قرار زیر است:قیمت آلیاژ نسبتاً ارزان باشد .محیط زیست را کمتر آلوده کند


مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصاله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

فایل pdf همراه با فایل word

قیمت35000تومان