Please use this identifier to cite or link to this item: http://repositorio.unicamp.br/jspui/handle/REPOSIP/320780
Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Microestruturas de solidificação, propriedades mecânicas e molhabilidade de ligas de Zn-Sn para soldagem
Title Alternative: Microstructures solidification, mechanical properties and alloys wettability Zn-Sn for welding
Author: Santos, Washington Luis Reis, 1984-
Advisor: Garcia, Amauri, 1949-
Abstract: Resumo: Ligas de alguns sistemas metálicos particulares, que são caracterizados por reações invariantes tais como eutéticas, peritéticas e monotéticas, têm sido foco de frequentes investigações em função da diversidade de microestruturas que podem ser formadas durante a solidificação transiente. Essas pesquisas têm dado sustentação a crescentes aplicações práticas, como por exemplo, em processos de soldagem e em componentes resistentes ao desgaste. Com as recentes restrições ao uso de Pb em ligas de soldagem, devido à sua toxicidade, estão sendo buscadas ligas alternativas que possam substituir ligas de soldagem contendo Pb(Sn¿40Pb, Pb¿10SnePb¿3Sn), as quais vinham sido utilizadas com sucesso em várias aplicações de microeletrônica. Várias ligas alternativas livres de Pb foram propostas para aplicação como ligas de soldagem de altas temperaturas, entretanto, nenhuma delas parece atender todas as características exigidas para plena substituição das ligas de alto conteúdo de Pb. Quatro famílias de ligas podem ser consideradas como ligas alternativas de soldagem de alta temperatura: Zn-Sn, Au-Sn, Sn-Sb e ligas à base de Bi. Cada uma apresenta um tipo de característica particular superior bem como com algum tipo de desvantagem. O presente estudo pretende contribuir nesse sentido, com investigações focadas em ligas de soldagem Zn-Sn através do desenvolvimento de uma análise detalhada da evolução microestrutural durante a solidificação transiente, similar às condições observadas em escala industrial. A microestrutura (morfologias, escala, distribuição de fases) pode ser fortemente influenciada por condições variáveis de crescimento, que são controladas por parâmetros térmicos tais como a velocidade de solidificação (VL) e a taxa de resfriamento . As microestruturas que resultaram da solidificação unidirecional das ligas Zn-Sn no presente estudo são formadas por uma fase rica em Zn na forma de placas celulares, com uma mistura eutética nas regiões intercelulares. Os resultados obtidos permitiram estabelecer leis experimentais de crescimento relacionando o espaçamento celular experimental com VL e ?. Foram determinadas propriedades mecânicas para cada composição das ligas analisadas experimentalmente, através de ensaios de dureza e de tração, e leis experimentais de correlação entre a escala da microestrutura e essas propriedades foram determinadas. A molhabilidade, que tem papel fundamental na integridade mecânica das juntas soldadas, foi determinada experimentalmente para cada liga através de medidas de ângulos de contato liga/substrato (?) utilizando-se de um goniômetro. Perfis térmicos experimentais registrados durante a solidificação foram usados na solução do problema inverso de condução térmica para a determinação de expressões de coeficientes de transferência de calor liga/substrato (hg) em função do tempo, para cada liga analisada, permitindo a proposição de um método térmico alternativo de avaliação da molhabilidade liga de soldagem/substrato. Os resultados mostraram que tanto hg quanto ? apontam para melhora na molhabilidade com a diminuição do teor de Sn da liga

Abstract: Alloys of some particular metallic systems, which are characterized by invariant reactions such as eutectic, peritectic and monotectic, have been frequently investigated by the variety of microstructures that can be formed during transient solidification giving rise to increasingly practical applications, such as in soldering processes and in wear-resistant components. With recent restrictions to the use of Pb in solders, due to its toxicity, the search for alternative alloys to replace Pb-containing solders (Sn¿40Pb, Pb¿10Sn andPb¿3Sn), which have been successfully used in various microelectronics applications, are being made. Several Pb-free candidate alloys have been proposed as alternatives to high temperature high-Pb solders, however, none of them can fulfill all the requirements to replace the current high-Pb solders. Four major family of candidate alloys can be considered as high temperature solders: Zn-Sn, Au-Sn, Sn-Sb, and Bi-based alloys. Each has its own superior characteristics as well as some drawbacks. The present study aims to contribute to the investigations of Zn-Sn solders (Zn-10%Sn; Zn-20%Sn; Zn-30%Sn and Zn-40%Sn) by developing a detailed analysis of the microstructural evolution during transient directional solidification, which is very similar to the conditions observed in the industrial scale. The microstructure (morphology, scale, distribution of phases) may be strongly influenced by altered growth conditions, governed by thermal solidification parameters such as the growth rate(VL) and the cooling rate .The microstructures that prevailed along the directionally solidified Zn-Sn alloys is shown to be characterized by plate-like cells of Zn-rich phase, and a eutectic mixture in the intercellular regions. The results permitted experimental growth laws relating the experimental cellular spacing to VL and ? to be proposed. Mechanical properties of the hypoeutectic Zn-Sn alloys examined were determined by tensile and hardness tests, and experimental laws correlating the microstructure scale to these properties have been determined. The wettability, which plays an important role in the integrity of solder junctions, was experimentally determined for each alloy composition by measuring the solder/substrate contact angle (?) using a goniometer. Experimental thermal profiles collected during solidification were used as input data to solve the inverse heat conduction problem and to determine expressions of metal/substrate heat transfer coefficients (hg) as a function of time for each alloy examined, thus permitting an alternative thermal approach to evaluate solder/substrate wettability to be established. It is shown that both hg and ? indicated improvements in wettability with the decrease in the alloy Sn content
Subject: Solidificação
Microestrutura
Molhabilidade
Editor: [s.n.]
Citation: SANTOS, Washington Luis Reis. Microestruturas de solidificação, propriedades mecânicas e molhabilidade de ligas de Zn-Sn para soldagem. 2016. 1 recurso online (140 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/320780. Acesso em: 16 Jul. 2020.
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

Files in This Item:
File SizeFormat 
Santos_WashingtonLuisReis_D.pdf8.52 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.