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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Microestruturas de solidificação da liga eutética Sn-0,5%Al como alternativa à liga Sn-Pb para soldagem de componentes eletrônicos
Title Alternative: Solidification microestructures of Sn-0,5%Al eutectic alloy as an alternative to the Sn-Pb alloy for electronic components soldering
Author: Oliveira Junior, Ricardo Orcelio Miranda de, 1991-
Advisor: Cheung, Noé, 1974-
Abstract: Resumo: Soldagem é um processo fundamental para a conexão de componentes na indústria eletrônica. Por décadas, ligas Sn-Pb foram as mais utilizadas como material de adição em soldas, devido as suas propriedades físicas e mecânicas, boa molhabilidade e baixo custo. No entanto, a natureza tóxica do chumbo e riscos ambientais levaram a criação de legislações que restringem a sua utilização, estimulando o estudo de diversas ligas substitutas. A maioria dessas ligas são majoritariamente constituídas de Sn utilizando Ag, Bi, Cu, In ou Zn como segundo elemento. A liga de composição eutética Sn-Al também é uma potencial substituta para a liga clássica Sn-Pb. Uma vez que a estrutura em regiões soldadas são basicamente estruturas brutas de solidificação, o entendimento da evolução microestrutural da liga em função dos parâmetros térmicos de solidificação (taxa de resfriamento e velocidade de deslocamento da isoterma eutética) pode ser alcançado com o uso da técnica de solidificação unidirecional em regime transitório de extração de calor, pois a mesma promove ampla faixa de valores experimentais de parâmetros térmicos em um único experimento. Os experimentos de solidificação foram realizados em substratos de níquel e cobre, comuns na indústria eletrônica e que promovem a formação de compostos intermetálicos na interface com ligas ricas em estanho, e em um substrato aço 1020, utilizado para comparação da estrutura bruta de solidificação, pois o mesmo não é reativo com ligas ricas em Sn. Um mecanismo de busca automática por meio do confronto entre os perfis térmicos experimentais e simulados numericamente foi utilizado para a determinação dos perfis de coeficiente global de transferência de calor em cada um dos substratos, indicando uma molhabilidade crescente dos substratos na ordem: aço 1020, cobre e níquel. A macroestrutura dos lingotes é caracterizada pela presença de grãos colunares e a microestrutura é predominantemente formada por dendritas de ?-Sn com composto eutético, formado por partículas de Al em uma matriz de ?-Sn, no contorno. Entretanto, a microestrutura do lingote solidificado sobre substrato de Ni é caracterizada pela presença de células de altas velocidade em regiões com ? > 4,5 oC/s e por dendritas para ? < 3,5 oC/s. O espaçamento dendrítico primário (?1) foi correlacionado com os valores da taxa de resfriamento (?) e da velocidade de deslocamento da isoterma eutética (VL) através de equações experimentais de crescimento e com o perfil de durezas Vickers (HV). Adicionalmente, analisou-se a interação metalúrgica entre a liga e os substratos de cobre e níquel meio das técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura, Difração de Raios X e Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios X

Abstract: Soldering process is fundamental for components connection in electronic industry. Over decades, Sn-Pb alloys were the most used solder material, due to its physical and mechanical properties, good wettability and low cost. However, the lead's toxic nature and environmental hazards generated legislations restricting its use, promoting the study of substitute alloys. The majority of this alloys have Sn as its main element and Ag, Bi, Cu, In or Zn as second element. The eutectic Sn-Al alloy is also a potential substitute for the classic Sn-Pb alloy. As the structures of soldered regions are basically brute solidified structures, the understanding of the microstructural evolution of the alloy as a function of the thermal parameters (cooling and growth rates) may be achieved by unsteady-state unidirectional solidification as it promotes a wide range of experimental values for thermal parameters in a single experiment. The solidification experiments were performed over nickel and cooper substrates, commonly used in electronic industry and which promotes the formation of intermetallic compounds at the interface with tin based alloys, as well as over AISI 1020 substrate, used for the comparison of the alloy brute solidification structure because it does not reacts with Sn rich alloys. An automatic search technique based on a best fitting between experimental thermal profiles and those furnished by numerical simulations was used to define the global heat transfer coefficient in each of the substrates, indicating a growing wettability in the following order: AISI 1020, cooper, nickel. The as-cast ingots macrostructure is characterized by columnar grains and the microstructure, by ?-Sn dendrites with eutectic compound, composed of Al particles embed in a ?-Sn matrix, at its surrounding. However, the microstructure of the ingot solidified over Ni substrate is characterized by the presence of high-speed cells at regions with ? > 4.5 oC/s and by dendrites for ? < 3.5 oC/s. The primary dendritic arm spacing (?1) is correlated with the values of cooling rate (?) and growth rate (VE) through experimental power-laws and with Vickers micro hardness profile (HV). In addition, the metallurgical interaction between the alloy and the Ni and Cu substrates was analyzed by Scanning Electron Microscopy, X-ray Diffraction and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy techniques
Subject: Solidificação
Microestrutura
Ligas euteticas - Propriedades mecânicas
Compostos intermetálicos
Editor: [s.n.]
Citation: OLIVEIRA JUNIOR, Ricardo Orcelio Miranda de. Microestruturas de solidificação da liga eutética Sn-0,5%Al como alternativa à liga Sn-Pb para soldagem de componentes eletrônicos. 2017. 1 recurso online ( 108 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica , Campinas, SP. Disponível em: http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/322277. Acesso em: 16 Jul. 2020.
Date Issue: 2017
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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