Effects of Tellurium on Microstructure and Mechanical Properties of SAC105 Solder Alloys

วิทยาศาสตรมหาบัณฑิต (วัสดุศาสตร์), 2566This research studied the synthesis of the SAC105 lead-free solder alloys with added Te contents of 0, 0.5, 1.0, 1.5, and 2.0 wt.% by the permanent mold casting process. The effects of Te on the microstructure, thermal behavior, mechanical properties, and wettability of SAC105 solder alloys were observed. The results showed that the microstructure of the SAC105 solder alloy consists of the β-Sn matrix phase and the Ag3Sn and Cu6Sn5 IMC phases. The small addition of Te formed a new SnTe IMC phase in the solder matrix and resulted in the coarsening of the IMC phases. The addition of Te slightly affected the melting temperature and pasty range but significantly increased the undercooling of SAC105 solder alloys. The ultimate tensile strength (UTS), yield strength (YS), and hardness of the solder alloy increased with the addition of Te due to the second phase strengthening effect; while adding Te more than 0.5 wt.%, the UTS and YS decreased due to coarsening of the microstructure. The fracture surface of the SAC105 solder alloy shows the ductile fracture mode while adding Te to the solder, resulting in the mixed ductile-brittle fracture mode. The addition of Te slightly affected the shear strength of the solder joint and tended to decrease as the amount of Te increased, caused by the thickness of the IMC layers between the solder and Cu substrate. Te increases the wettability of the solder alloy, increases the spreading area, and reduces the contact angle, but it doesn't significantly increase the thickness of IMC. From this research, the addition of 0.5 wt.% Te was the optimal amount to improve the microstructure, thermal behavior, mechanical properties, and wettability of the SAC105 solder alloy.งานวิจัยนี้ศึกษาการสังเคราะห์โลหะบัดกรีไร้สารตะกั่ว SAC105 ที่เติมเทลลูเรียมในปริมาณ 0, 0.5, 1.0, 1.5 และ 2.0 wt.% โดยใช้วิธีการหล่อขึ้นรูปชิ้นงานด้วยแม่พิมพ์แบบถาวร และศึกษาผลของการเติมเทลลูเรียมต่อโครงสร้างจุลภาค พฤติกรรมทางความร้อน สมบัติทางกล และความสามารถการเปียกของโลหะบัดกรี SAC105 ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าโครงสร้างจุลภาคของโลหะบัดกรี SAC105 ประกอบด้วยเฟสเนื้อพื้นดีบุก (β-Sn) และเฟสสารประกอบเชิงโลหะ Ag3Sn และ Cu6Sn5 การเติมเทลลูเรียมเพียงเล็กน้อยทำให้เกิดการฟอร์มตัวของเฟสสารประกอบเชิงโลหะ SnTe ในเนื้อพื้นดีบุก และทำให้เฟสสารประกอบเชิงโลหะหยาบขึ้น การเติมเทลลูเรียมส่งผลต่ออุณหภูมิหลอมเหลวและช่วงการหลอมเหลวเพียงเล็กน้อย แต่ทำให้อันเดอร์คูลลิงของโลหะบัดกรี SAC105 เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ความต้านทานแรงดึงสูงสุด ความแข็งแรง ณ จุดคราก และความแข็งของโลหะบัดกรีเพิ่มขึ้นเมื่อเติมเทลลูเรียม เนื่องจากการเสริมความแข็งแรงด้วยเฟสทุติยภูมิ ในขณะที่การเติมเทลลูเรียมมากกว่า 0.5 wt.% พบว่า ความต้านทานแรงดึงสูงสุดและความแข็งแรง ณ จุดครากลดลง ซึ่งเป็นผลมาจากโครงสร้างจุลภาคที่หยาบขึ้น พื้นผิวแตกหักของโลหะบัดกรี SAC105 แสดงรูปแบบการแตกหักแบบเหนียว ในขณะที่เมื่อเติมเทลลูเรียมในโลหะบัดกรีส่งผลให้เกิดรูปแบบการแตกหักแบบผสมระหว่างแบบเหนียวและแบบเปราะ การเติมเทลลูเรียมส่งผลต่อความต้านทานแรงเฉือนของโลหะบัดกรีเพียงเล็กน้อย และมีแนวโน้มลดลงเมื่อปริมาณเทลลูเรียมเพิ่มขึ้น เนื่องจากความหนาของชั้นสารประกอบเชิงโลหะระหว่างโลหะบัดกรีและวัสดุฐานทองแดง การเติมเทลลูเรียมในโลหะบัดกรี SAC105 ทำให้ความสามารถการเปียกของโลหะบัดกรีเพิ่มขึ้น พื้นที่การแผ่กระจายตัวเพิ่มขึ้น และมุมสัมผัสลดลง แต่ไม่มีผลต่อความหนาของชั้นสารประกอบเชิงโลหะอย่างมีนัยสำคัญ จากการวิจัยนี้พบว่าการเติมเทลลูเรียมปริมาณ 0.5 wt.% เป็นปริมาณที่เหมาะสมที่สุดในการปรับปรุงโครงสร้างจุลภาค พฤติกรรมทางความร้อน สมบัติทางกล และความสามารถการเปียกของโลหะบัดกรี SAC10