Germániummal ötvözött SnAgCu ólommentes forraszhuzalok elektrokémiai korróziós vizsgálatai
A forrasztás technológiájának a mikroelektronikai rendszerekben nagyon nagy szerepe van. Segítségével teremthető meg a villamos, mechanikai és kémiai összeköttetés az alkatrészek és a hordozó, a nyomtatott huzalozású lemez (NyHL) között.
2006-ban bevezetésre került a RoHS direktíva, ami az egészségre és környezetre káros anyagok elektromos és elektronikus berendezésekben való alkalmazásának korlátozását foglalta magába. Az irányelv többek között az ólom alkalmazására rendelt el korlátozást, így a forrasztás technológiájára is jelentős hatással volt. Ekkor kezdtek el új összetételű forraszötvözeteket kidolgozni, továbbá különböző ötvözőelemek hatását vizsgálni, hogy megtalálják a legmegfelelőbb forraszanyagot, amely jól tudja pótolni az ólomtartalmú elődeit.
Ilyen ötvözőelem (többek között) a nikkel, a bizmut, az indium, a cink, az antimon és a mangán mellett a germánium is. A germániumnak több kedvező hatása is ismert a forraszok nedvesíthetőségére, mikrostruktúrájára és mechanikus tulajdonságaira. A kedvező forraszthatósági tulajdonságok mellett azonban fontos, hogy részletesebben megfigyeljük a germánium hatását a forrasz korróziós viselkedésére, mert ha negatívan befolyásolja, az működési problémákhoz vezethet, így rontva az elektronikus áramkörök megbízhatóságát. A szakirodalom ezzel kapcsolatban szűkszavúan fogalmaz és több nyitott kérdést hagy maga után.
Jelen dolgozatban emiatt az elektrokémia területén elterjedten alkalmazott lineáris voltammetria módszerét választottam, hogy részletesen vizsgálhassam a germánium tartalmú forraszok korróziós viselkedését. Munkám során három forraszötvözet, a SAC305-ös ötvözet (mint referencia) és két germániummal ötvözött SAC forraszötvözet (SAC305+0,1Ge, SAC0305+0,1Ge) korróziós viselkedését vizsgáltam 3,5 tömeg%-os NaCl oldatban, voltammetriás mérések és mikroszkópos felvételek segítségével.
A voltammetriás mérések során a polarizáció végpotenciálját úgy választottam meg az egyes mérések folyamán, hogy a polarizációs görbe jellemző tartományaiban vizsgálhassam a germánium és az ezüsttartalom csökkentésének hatását a forraszötvözetek Ecorr, icorr, Ebreak, ∆E=Ebreak-Ecorr, Ecrit és imax jellemző értékeire, így megismerve a forraszok korróziós viselkedését. Vizsgálataim során azt tapasztaltam, hogy a forraszok polarizációs görbéinek menetét a germánium nem befolyásolta. Az ötvözetek ∆E=Ebreak-Ecorr potenciálkülönbsége – ami a lokális korrózió hajlamra jellemző érték - a germániumos ötvözetek esetén átlagosan 60 mV-tal nagyobb értékű volt, mint a referenciáé, ami a germánium pozitív hatását mutatta. A jellemző áramsűrűség értékekben, azaz a fémoldódás sebességében nem adódtak számottevő különbségek a germánium hatására.
A végpotenciál különböző megválasztásával további célom az volt, hogy megfigyeljem és összehasonlítsam az egyes ötvözetek korrodált felületének morfológiáját a polarizáció különböző fázisaiban. Így az elektrokémiai mérések után a korrózióban részt vett felületekről optikai és pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételeket készítettem, továbbá energia diszperzív röntgen spektrometriával (EDS) vizsgáltam a felületek kémiai elemösszetételét. Az optikai felvételek alapján elmondhatjuk, hogy -0,4 V potenciálon, ahol még az áramsűrűség értéke kicsi volt, mindhárom forraszötvözet felületén a csiszolásból eredő barázdáltság volt felismerhető, korróziós elváltozás nem történt. Ahogy tovább nőtt a potenciál, és elkezdett nőni az áramsűrűség értéke, mindegyik ötvözet esetén jelentős morfológiai változások következtek be, korróziós termék keletkezett a forraszötvözetek felszínén, továbbá egyre nagyobb lokális elváltozások alakultak ki. A pásztázó elektronmikroszkóppal készített felvételek alapján is azt tapasztaltam, hogy -0,2 V potenciálon mindhárom ötvözet esetén megjelent egy lemezes szerkezetű réteg, amely ezután az egész potenciáltartományban jelen volt. Az elemanalízis alátámasztotta, hogy ez a réteg valószínűleg Sn3O(OH)2Cl2 összetételű lehet, ami a szakirodalom alapján az ólommentes forraszanyagokra jellemző korróziós termék is egyben. Ezen felvételek is azt mutatták, hogy ahogy nőtt a potenciál értéke, egyre több és drasztikusabb lokális elváltozás történt. A mikroszkópos mérések során a germániumnak nem tapasztaltam olyan hatását, amely megváltoztatta volna a korróziós termék szerkezetét vagy az ötvözet korróziójának mértékét.
Összességében a szakdolgozat keretein belül végzett munkám alapján elmondható, hogy az ezüsttartalom tized részére csökkentése nem volt jelentős negatív hatással a forraszötvözet korróziós viselkedésére, továbbá a germánium a forrasz korróziós viselkedését nem rontotta, így az egyéb kedvező forrasztástechnológiai hatásai miatt alkalmas ötvözője lehet az ólommentes forraszoknak.
szerző
-
Máté Lilla Szilvia
Villamosmérnöki szak, mesterképzés
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
-
Dr. Felhősi Ilona
tudományos főmunkatárs, Természettudományi Kutatóközpont (külső)