Physical and mechanical properties of lead-free solder joints

• Thesis title in Czech: Fyzikální a mechanické vlastnosti spojů pájených bezolovnatými pájkami
• Thesis title in English: Physical and mechanical properties of lead-free solder joints
• Academic year of topic announcement: 2007/2008
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physics of Materials (32-KFM)
• Supervisor: prof. RNDr. Miloš Janeček, CSc.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 09.11.2007
• Date of assignment: 09.11.2007
• Date and time of defence: 21.09.2016 11:00
• Date of electronic submission: 12.08.2016
• Date of submission of printed version: 12.08.2016
• Date of proceeded defence: 21.09.2016
• Opponents: doc. RNDr. Zdeněk Drozd, Ph.D.

Guidelines

Proveďte literární rešerši s cílem shromáždit informace o existujících pájkách bez olova a jejich vlastnostech, které souvisí s aplikacemi v elektronice.
Na základě rešerše zvolte vhodné materiály pro studium v rámci disertace.
U vybraných materiálu proveďte měření metodou diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) s cílem stanovit teploty, případně teplotní intervaly, přechodu z pevného do kapalného stavu a vyhodnoťte získané výsledky.
Studujte teplotní, elektrické a mechanické vlastnosti a strukturní stabilitu spojů připravených přetavením slitin na různých substrátech (měď, nikl apod.).
Studujte vliv tepelného případně tepelně-mechanického zatěžování na strukturu a vlastnosti slitin a spojů.
Strukturu vybraných materiálů studujte pomocí optické, skenovací a transmisní elektronové mikroskopie.
Na základě získaných výsledků modelujte vývoj intermetalické vrstvy vznikající při přetavení na rozhrání pájka/substrát.

References

M. Abel, V. Cimburek, "Bezolovnaté pájení v legislative a praxi", ABE.TECH, s.r.o. (2005).
Y.L. Shen, N. Chawla, E.S. Ege, X. Deng, Acta Materialia 53 (2005), 2633.
M.J. Rizvi, C. Bailey, Y.C. Chan, M.N. Islam, H. Lu, Journal of Alloys and Compounds 415 (2006), 13.
Jeong-Won Yoon, Sang-Won Kim, Seung-Boo Jung, Journal of Alloys and Compounds 415 (2006), 56.
Ch. Chuang, K.L. Lin, J. Electronic Materials, 32, (2003), 1426.
Ch.S. Huang J.G. Duh, Y. M. Chen: J. Electronic Materials, 32, (2003), 1509.
E. Bastlow, Adv. Mat. & Proc., (2003) 26.
Y.Ch. Lin, J.G. Duh, Scripta Materialia 54 (2006), 1661.
M. He, Z. Chen, G.J. Li, Met. Mat. Trans. 36A, 2005, 65.
Directive of EU "Waste Electrical and Electronic Equipment" (WEEE), Feb. (2003).
Directive 2002/95/EC: "Restriction of the Use of Certain Hasardous Substances in Electrical and Electronic Equipment" (RoHS), Feb. (2003).
www.ipc.org
www.pb-free.com

Preliminary scope of work

Současný materiálový výzkum věnuje velkou pozornost slitinám na bázi cínu, které jsou vhodné pro použití jako měkké pájky v elektronických systémech. Vysoké nároky kladené na fyzikální (zejména teplotní a elektrické) a mechanické vlastnosti spojů, a stejně tak na jejich strukturní stabilitu, vyžadují vývoji nových materiálů a důkladný výzkum jejich vlastností. Vzhledem k složitosti jevů, které doprovází přípravu pájených spojů a jejich vývoj v provozních podmínkách, a rostoucí minituarizaci elektronických systémů, není vývoj nových materiálů možný bez důkladného fyzikálního výzkumu.
Navrhovaná práce bude zaměřena na studium vlastností nových slitin a slitin modifikovaných novými prvky, případně i kompozitních materiálů, připravených na bázi cínu s příměsí mědi, stříbra, bismutu a dalších prvků. Výzkum se bude orientovat na teplotní, elektrické a mechanické vlastnosti a strukturní stabilitu spojů připravených přetavením slitin na různých substrátech (měď, nikl apod.). Bude studován vliv tepelného, případně tepelně-mechanického, zatěžování na strukturu a vlastnosti slitin a spojů. Bude modelován vývoj intermetalické vrstvy vznikající při přetavení na rozhrání pájka/substrát. Z experimentálních metod budou používány zejména měření elektrických a mechanických vlastností a kalorimetrická měření. K tomu pak budou prováděna studia struktury a mikrostruktury.
Experimentální část práce bude zčásti vykonána na partnerském pracovišti VÚK Panenské Břežany, s.r.o. ve spolupráci s výrobci a finálními uživateli studovaných materiálů.

Preliminary scope of work in English

The current material research concentrates extensively on the investigation of Sn based alloys which are used as soft solders in electronic systems. High demand on physical (in particular thermal and electrical) and mechanical properties of solder joints as well as on their structure stability requires the development of new materials and an extensive investigation of their properties. The complexity of effects during the preparation of solder joints and their development in operating environment as well as the growing minimizing of electronic systems request extensive investigation of physical properties of solder joints.
The objective of the thesis is the study of properties of new and by other elements modified alloys as well as composite materials based on Sn with Cu, Ag, Bi and other element additions. Thermal, electrical and mechanical properties and the structure stability of melted alloys on different substrates (Cu, NI, etc.) will be investigated. The influence of thermal, or thermal-mechanical loading on the structure and properties of alloys and joints will be also investigated. The development of the intermetallic layer originating during melting on the solder-substrate interface will be modelled. The following experimental techniques will be used: the measurement of electrical and mechanical properties and calorimetric measurements. The structure and microstructure of joints and solders will be also investigated.
Experiment part of the thesis will be partly conducted in the partner laboratory of the VÚK (Reasearch Institute of Metals) in Panenske Brezany, s.r.o. in co-operation with manufacturers and final users of studied materials.