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Investigation of relevant phase diagrams for high temperature solder materials

Fürtauer, Siegfried (2010) Investigation of relevant phase diagrams for high temperature solder materials.
Diplomarbeit, Universität Wien. Fakultät für Chemie
BetreuerIn: Flandorfer, Hans

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-30237.20665.743859-7
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Abstract in Englisch

The two binary systems Cu-Sn and Cu-Sb were investigated with various experimental methods (DTA, PXRD, HTPXRD, ESEM, EPMA). Additionally for the Cu-Sn system the available literature data since 1894 was summarized in a detailed literature review. For the Cu-Sn system the controversial discussion about the transition order between the high temperature phases β (W-type) and γ (BiF3-type) was set out. The data, especially those gained by the high temperature X-ray diffraction method, support the theory of a second-order transition between those phases, the existence of a β-γ-two-phase field seems to be unlikely (see Fig. 55 and 56). Accordingly, the interpretation of the thermal analysis (DTA) allows the assumption of the presence of two degenerated invariant reactions at 566 and 758°C (see Table 21). Some further invariant reactions were shifted to marginal different temperatures than described by the literature [15], as well as the solubility ranges of the occurring phases were adapted (from ESEM / EPMA data). To investigate the Cu-Sb system the same methods, excepting the HTPXRD, were employed. It was tried to confirm the present phase diagram [43] and clarify the less investigated parts of the phase diagram (see Fig. 59 and Fig. 60). The thermal analysis agreed well to the literature, nevertheless some adaptations for the invariant reaction temperatures were necessary (see Table 27). Especially those reactions which were located at the Cu-rich side of the metastable high temperature phase β (BiF3-type) left leeway for interpretations and require further investigation. The solubility of the δ-phase (Cu78Sb21-type) seemed to increase at temperatures above 340°C. The δ-ζ-two-phase field was found to be much narrower and was located at a lower Sb-content. The eutectoid point at 427°C (decomposition of the β-phase) was adapted to a value of about 3 at% Sb higher than estimated before, additionally the η- phase was found at a 1-2 at% higher composition of Sb. By quenching of a sample with 40 at% Sb from 600°C (liquidus-solidus-field) the new phase ι (Ge7Ir3-type) with an estimated composition of Cu3Sb7 was found in the PXRD, which has to be verified by further experiments.

Schlagwörter in Englisch

high temperature solder materials / phase diagram / Cu-Sn / Cu-Sb / high temperature phases

Abstract in Deutsch

Die binären Systeme von Cu-Sn und Cu-Sb wurden in der vorliegenden Arbeit mittels mehrerer experimenteller Methoden untersucht (DTA, PXRD, HTPXRD, ESEM, EPMA). Zusätzlich wurde für das Cu-Sn-System die vorhandene Literatur seit 1894 aufgearbeitet und in einer detaillierten Zusammenfassung dargestellt. Die kontroverse Diskussion über die Art des Übergangs zwischen den Hochtemperaturphasen von Cu-Sn, namentlich die β-Phase (W-Typ) und die γ-Phase (BiF3-Typ), wurde wieder aufgegriffen. Die Messdaten der HTPXRD unterstützten die Theorie einer diffusionslosen und daher spontanen β-γ-Umwandlung, die Existenz eines β-γ-Zweiphasenmischgebiets wurde als unwahrscheinlich angesehen (siehe Abb. 55 und 56). Weiters erlaubte die Interpretation der Daten aus der thermischen Analyse (DTA) die Annahme zweier degenerierter invarianter Reaktionen bei 566 und 758°C, die aus dem β-γ-Übergang resultierten und in den Zweiphasengebieten (Cu)-β bzw. β-liquidus als schwache Signale aufscheinten (siehe Tabelle 21). Einige weitere invariante Reaktionen wurden bei geringfügig abweichenden Temperaturen, im Vergleich zur Literatur [15], beschrieben. Das Cu-Sb-System wurde mit denselben Methoden, mit Ausnahme der HTPXRD, untersucht. Es wurde versucht das vorliegende Phasendiagramm [43] zu bestätigen und die als ungesichert betrachteten Annahmen zu überprüfen (siehe Abb. 59 und 60). Die thermische Analyse stimmte gut mit der Literatur überein, nichtsdestotrotz mussten für einige Temperaturen, bei denen invariante Reaktionen beschrieben wurden, Anpassungen getroffen werden. Besonders die Reaktionen, welche die Hochtemperaturphase β (BiF3-Typ) entlang der kupferreichen Seite betrafen, ließen Interpretationsspielraum zu und bedürfen weiterer Beforschung. Die Löslichkeit von Kupfer in der δ-Phase (Cu78Sb21-Typ) war bei Temperaturen über 340°C erhöht. Das δ-ζ-Zweiphasenmischgebiet wurde in einem schmäleren Konzentrationsbereich und bei niedrigerem Sb-Gehalt gefunden. Der eutektoide Punkt bei 427°C (Zersetzung der β-Phase) wurde an einen um 3 at% Antimon erhöhten Wert angepasst. Zusätzlich wurde die η-Phase bei einer um 1-2 at% Sb erhöhten Zusammensetzung gefunden. Die Probe mit der Zusammensetzung Cu60Sb40, welche bei 600°C geglüht (Flüssig- Fest-Mischgebiet) und anschließend abgeschreckt wurde, zeigte im Röntgendiffraktogramm die bis dato unbekannte Phase ι (Ge7Ir3-Typ) mit einer angenommenen Zusammensetzung Cu3Sb7. Dieser Befund muss allerdings noch durch weitere Untersuchungen überprüft werden.

Schlagwörter in Deutsch

Hochtemperaturlote / Phasendiagramm / Cu-Sn / Cu-Sb / Hochtemperaturphasen

Dokumentenart: Hochschulschrift (Diplomarbeit)
AutorIn: Fürtauer, Siegfried
Titel: Investigation of relevant phase diagrams for high temperature solder materials
Untertitel: the binary systems Cu-Sn and CU-Sb
Umfangsangabe: 100 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: Universität Wien
Fakultät: Fakultät für Chemie
Publikationsjahr: 2010
Sprache: eng ... Englisch
BetreuerIn: Flandorfer, Hans
BeurteilerIn: Flandorfer, Hans
Klassifikation: 35 Chemie > 35.90 Festkörperchemie
35 Chemie > 35.12 Chemische Thermodynamik, Phasenlehre
35 Chemie > 35.31 Anorganische Analyse
51 Werkstoffkunde > 51.50 Metallische Werkstoffe: Allgemeines
AC-Nummer: AC08290368
Dokumenten-ID: 10616
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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