Characterization of the mechanical properties of the dilute tin based solder alloys

Abstract

Työn tarkoituksena oli tutkia laimeiden tinavismutti- ja tinahopeavismuttijuotteiden mekaanisia ominaisuuksia ja muodonmuutosmekanismeja. Tutkittavina juotteina oli neljä tinavismuttiseosta, joiden koostumukset olivat 99.5Sn0.5Bi, 98.5Sn1.5Bi, 97Sn3Bi ja 94Sn6Bi, sekä kaksi tinahopeavismuttiseosta, joiden koostumukset olivat 94.5Sn4Ag1.5Bi ja 90Sn4Ag6Bi. Kaikkien juotteiden pitoisuudet ovat atomiprosentteina. Lisäksi vertailujuotteena käytettiin puhdasta tinaa.

Mekaanisia ominaisuuksia tutkittiin vetokoneella tehdyillä leikkaustesteillä, joissa testisauvoina käytettiin "grooved-lap"-liitoksella juotettuja kuparisauvoja. Rakenteen tarkoituksena on taata lähes puhdas leikkausjännitys koko liitosalueelle. Testit tehtiin neljällä muodonmuutosnopeudella lämpötiloissa 20°C, 90°C ja 120°C.

Testien perusteella 94.5Sn4Ag1.5Bi-juotteella oli parhaimmat ominaisuudet ja varsinkin korkeissa lämpötiloissa se oli ylivoimainen muihin juotteisiin verrattuna. Hyvien ominaisuuksien syynä on juotteen eutektinen koloniarakenne. Testeissä ongelmia aiheutti kuparisauvojen plastinen muodonmuutos käytettäessä lujia juotteita, joiden vismuttipitoisuus oli 1.5 at-% tai enemmän. Sauvat jopa taipuivat hieman suurimmilla muodonmuutosnopeuksilla. Sauvojen pysyvällä muodonmuutoksella ei ole vaikutusta juotteiden maksimijännityksiin, vaikkakin juotteiden mitatut leikkausvenymät olivat suuremmat kuin täysin elastisessa tapauksessa.

Juotteiden muodonmuutosmekanismeja määritettiin (leikkausjännitys, venymänopeus)-käyrien perusteella. Tulokset osoittivat, että laimeiden tinavismuttiseosten muodonmuutosta kontrolloi jähmeä tinafaasi, jossa on liuenneena tasapainon mukainen määrä vismuttia.