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Lead-free solder alloys - thermodynamic properties an surface tension

investigations on the Ag-Au-Sn, Au-Sb-Sn, Au-Sb and the Ag-Bi-Sn system

Michael Hindler

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Betreuer*in

Adolf Mikula

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DOI

10.25365/thesis.13833

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29871.34777.716263-1

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Bestimmung thermodynamischer Eigenschaften und der Oberflächenspannung von möglichen neuen, bleifreien Lötmaterialien. Es wurden Untersuchungen an folgenden Systemen durchgeführt: Ag-Au-Sn, Au-Sb-Sn, Au-Sb und Ag-Bi-Sn. Für das System Ag-Au-Sn wurden die Aktivitäten von Sn in flüssigen Ag-Au-Sn Legierungen durch Messung der elektromotorischen Kraft (EMK) in Abhängigkeit von Konzentration und Temperatur bestimmt. Der Aufbau der Messkette kann wie folgend beschrieben werden: W, Sn(l)/KCl-LiCl-SnCl2/Ag-Au-Sn(l),W Thermodynamische Eigenschaften wurden für 24 Legierungen an den drei Schnitten Ag:Au = 2:1, 1:1 und 1:2 mit einem jeweiligen Zinngehalt von 20-90 Atomprozent bestimmt. Die integralen thermodynamischen Eigenschaften wurden mittels Gibbs-Duhem Integration berechnet. Vergleiche der integralen Mischungsenthalpie mit Literaturwerten aus kalorimetrischen Messungen zeigen sehr gute Übereinstimmungen. Für das System Au-Sb-Sn wurden die Aktivitäten von Sn in flüssigen Au-Sb-Sn Legierungen ebenfalls durch Messung der elektromotorischen Kraft bestimmt. Thermodynamische Eigenschaften wurden für 30 Legierungen bestimmt. Die integralen thermodynamischen Eigenschaften wurden ebenfalls mittels Gibbs-Duhem Integration berechnet. Es wurden zusätzlich kalorimetrische Messungen am System Au-Sb-Sn durchgeführt, um einen Vergleich für die Mischungsenthalpien der mittels EMK bestimmten Werte zu erhalten. Die Ergebnisse beider Techniken stimmen ausgezeichnet überein. Das System Au-Sb wurde nachgemessen, da sich für die binären Startwerte der Integration der partiellen thermodynamischen Größen im System Au-Sb-Sn keine zuverlässige Literatur finden ließ. Für das System Ag-Bi-Sn wurden die Oberflächenspannung und die Dichten zwischen 873 K und 973 K bestimmt. Zur Anwendung kam die Methode des liegenden Tropfens. Es wurden 27 flüssige Legierungen an den Schnitten Ag:Bi = 2:1, 1:1 und 1:2 mit einem jeweiligen Zinngehalt von 10-90 Atomprozent untersucht. Die gemessenen Dichten wurden mit berechneten Werten verglichen und sind in guter Übereinstimmung. Für die Schnitte Ag:Bi = 2:1, 1:1 und 1:2 konnte kein merklicher Einfluss von Silber auf die Oberflächenspannung von Bismut und Zinn in der Mischung festgestellt werden. Mit ansteigender Bismutmenge ist ein leichter Abfall der Oberflächenspannung zu beobachten.

Abstract

(Englisch)

The aim of the present work is the investigation of thermodynamic properties and surface tension of new possible lead-free solder alloys. In this work investigations have been carried out on the Ag-Au-Sn, Au-Sb-Sn, Au-Sb and the Ag-Bi-Sn system. Activities of Sn in liquid Ag-Au-Sn alloys were determined with the emf method as a function of concentration and temperature using the following cell arrangement: W, Sn(l)/KCl-LiCl-SnCl2/Ag-Au-Sn(l),W Thermodynamic properties were determined for 24 alloys. The compositions were situated on three cross-sections with constant molar ratios of Ag:Au = 2:1, 1:1 and 1:2 with tin content from 20-90 at.%. The integral thermodynamic properties were calculated by Gibbs-Duhem integration. Comparisons of the integrated enthalpy of mixing with literature results from calorimetric experiments show very good agreement. For the Au-Sb-Sn system, the activities of Sn in liquid Au-Sb-Sn alloys were determined for 30 alloys with the emf method. The integral thermodynamic properties were then calculated by Gibbs-Duhem integration. Additionally, the Au-Sb-Sn system was investigated by calorimetric measurements. Comparisons show that the enthalpies of mixing obtained by the emf method are in excellent agreement with the results gained by calorimetric measurements. The Au-Sb system was remeasured with the emf method, as no reliable data were found in literature. For the Ag-Bi-Sn system, the surface tension and densities were determined between 873 K and 973 K for 27 liquid alloys with the sessile drop method. The compositions were situated on three cross-sections with constant molar ratios of Ag:Bi = 2:1, 1:1 and 1:2 with tin content from 10-90 at.%. The measured densities are compared with calculated densities and are in good agreement with each other. For the Ag-Bi = 2:1, 1:1 and 1:2 cross-sections, no appreciable influence of silver on the surface tension in the liquid alloys could be observed. With increasing amount of Bismuth the surface tension decreases slightly.

Autor*innen

Michael Hindler

Haupttitel (Englisch)

Lead-free solder alloys - thermodynamic properties an surface tension

Hauptuntertitel (Englisch)

investigations on the Ag-Au-Sn, Au-Sb-Sn, Au-Sb and the Ag-Bi-Sn system

Paralleltitel (Deutsch)

Bleifreie Lötmaterialien ; thermodynamische Eigenschaften und Oberflächenspannung

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

163 S. : graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Krzysztof Fitzner ,

Werner Sitte

Klassifikationen

35 Chemie > 35.12 Chemische Thermodynamik, Phasenlehre ,

35 Chemie > 35.14 Elektrochemie

AC Nummer

AC08506692

Utheses ID

12429

Studienkennzahl

UA | 091 | 419 | |

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