Anyagtudomány és Technológia (elektronika) (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
zsűri
Informatikai–Villamosmérnöki
Kutatóhely
Elektronikai Technológia Tanszék (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem)
projekt kezdete
2016-12-01
projekt vége
2019-11-30
aktuális összeg (MFt)
15.264
FTE (kutatóév egyenérték)
2.10
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Célkitűzések:
1. Kutatásom egyik célja a környezetállósági vizsgálatok során a vízréteg képződési folyamat vizsgálata az új mikro-ötvözött ólommentes forraszokon, amelyeket nyomtatott huzalozású lemezen (NyHL) alakítok ki. Egy részről a technológiai folyamatokból visszamaradó szennyeződések (pl.: folyasztószer) hatását fogom vizsgálni a vízréteg képződés kapcsán. Másrészről a forrasztás során kialakult intermetallikus vegyületeket illetve a vegyületek megbízhatóságra gyakorolt hatását vizsgálom meg.
2. Kutatásom második célkitűzése, hogy a környezetből származó szennyeződések (pl.: NaCl) hatását vizsgáljam, az új mikro-ötvözött forraszok megbízhatósága kapcsán környezetállósági vizsgálatokat alkalmazva. Itt a környezetből származó szennyeződések hatását vizsgálom a vízréteg kialakulása tekintetében. Továbbá a korrózióra, az elektrokémiai migrációra és az intermetallikus vegyületképződésre gyakorolt hatást is megvizsgálom.
3. A harmadik célkitűzésben a nedvesség által indukált meghibásodási folyamatokat (elektrokémiai korrózió, migráció, whisker képződés) vizsgálom az új típusú ólommentes forraszokon. A mérések során a környezetállósági vizsgálatok teszt paramétereit (relatív nedvesség, hőmérséklet, teszt feszültség) fogom változtatni. Továbbá megvizsgálom a váltó feszültség (VAC) által indukált hibamechanizmusokat is, mert ezen a területen is sok nyitott kérdés van még a migrációs szakirodalom szerint.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Az elektronikai ipar egy új fejlesztési iránya a Sn-Ag-Cu (SAC) forraszötvözetek tekintetében az, hogy csökkentsék azok ezüst tartalmat, és így csökken annak piaci ára is. Az alacsony ezüsttartalom miatt, úgynevezett mikro-ötvöző komponenseket (pl.: antimon, bizmut, kobalt, nikkel) kevernek a forraszpasztába. Ezért ezeket az új SAC ötvözeteket mikro-ötvözött alacsony ezüst tartalmú forrasz ötvözetnek is nevezik. A mikro-ötvözött alacsony ezüst tartalmú forraszötvözetek ón tartalma relatíve magas (több mint 98 wt%), míg az ezüst tartalom jóval kisebb (kevesebb, mint 1 wt%), mint a hagyományos SAC ötvözeteké (Sn ~ 96 wt% , Ag ~ 3 wt%, Cu ~ 1 wt%). Azonban a nedvesség okozta meghibásodások mechanizmusa az ólommentes mikro-ötvözött alacsony ezüst tartalmú forraszötvözeteknél még nem teljesen tisztázott. Annak érdekében, hogy az elektronikák (pl .: gépjármű elektronika: ABS, ESP) megbízhatóságát növeljük, meg kell válaszolni a vonatkozó nyitott kérdéseket. A környezetállósági vizsgálatokból (részletek a munkatervben) származó eredmények választ adhatnak néhány nyitott kérdésre. Például arra, hogy milyen gyökér okokra vezethetők vissza a különböző meghibásodási mechanizmusok az egyes mikro-ötvözött alacsony ezüst tartalmú forraszötvözetek esetén.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A jelenlegi kutatások fő célja az elektronikai iparban alkalmazott úgynevezett ólommentes mikro-ötvözött forraszötvözetek megbízhatóságának javítása. A forraszötvözetek megbízhatósági vizsgálatainak eredménye közvetlenül hasznosítható lenne az ipari alkalmazásnál. Például az anyag megválasztása a tervező számára könnyebb lesz a forraszötvözetek vonatkozásában. Az eredményeket minden évben legalább 1 vagy 2 konferencia cikkben, valamint minden évben minimum 1 külföldön megjelenő bírált impakt faktoros (IFmin = 1.00) folyóirat cikkben fogom publikálni. Tudásom szerint, az egyik folyóiratcikkem (2013) volt az első, amely néhány új elektrokémiai migrációs eredményt publikált az ólommentes mikro-ötvözött alacsony ezüst tartalmú forraszok kapcsán. Ebben a munkámban, az anódon korrodált felületet vizsgáltam röntgen-fotoelektron spektroszkópiával (XPS), amely során hasznos információt kaptam az anódos oldódási (elektrokémiai) folyamatokról. Az ott szerzett ismertekre és a nemzetközi tapasztalatomra és kapcsolataimra (részletek a kutatási tervben) támaszkodva folytatom a kutatást a mikro-ötvözött alacsony ezüst tartalmú forraszokon, ahol majd a nedvesség okozta meghibásodásokat vizsgálom környezetállósági tesztek segítségével.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Munkám általános célkitűzése, hogy a mindennapi életben használt nagy megbízhatóságúnak vélt áramköröket (pl.: autóelektronikában blokkolásgátló rendszer (ABS), kanyar-stabilizátor (ESP)) megbízhatósági szempontból biztonságosabbá tegyen. Ennek az a háttere, hogy gyártók gazdasági és jogszabályi szempontok alapján újabb és újabb forraszötvözeteket alkalmaznak például a fenti áramkörökben is. A problémát az okozza, hogy ezek az új forraszötvözetek sokszor kedvezőtlenebb tulajdonságokat mutatnak megbízhatósági szempontból, mint a tradicionális forraszötvözetek. Ilyen megbízhatósági szempont például a korrózióállóság vagy a „zárlatképződési” hajlam, ami akár életveszélyes meghibásodáshoz is vezethet. Ugyanakkor az új típusú forraszok megbízhatósági tulajdonságai (pl.: korrózióállóság, zárlatképződési mechanizmusok) nem teljesen ismertek a szakemberek előtt. Ezért kutatómunkám az ilyen és ehhez kapcsolódó nyitott kérdések megválaszolására irányul. A tudományos eredmények által biztonságosabbá lehetne tenni pl. az autóelektronikai áramköröket és ezzel mindennapi életünket is.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Aims:
1. The first aim of my research is to gain better understanding of the climatic processes (e.g. water layer formation) on the PCB’s using lead-free micro-alloyed solders. In this case the effect of contamination (from the technological processes, e.g.: flux residue) will be studied. Furthermore, the formed intermetallic compounds (IMC) of the solders joints and their effect on the reliability will be also investigated.
2. Investigation the effect of contamination (from the environment, e.g.: NaCl) on the reliability of the micro-alloyed solder alloys during environmental tests. The effect of contamination on the water layer formation, on corrosion, on ECM and on IMC formation will be investigated using novel lead-free micro-alloyed solder alloys.
3. The third aim focuses on the humidity induced failure mechanism, namely ECM, corrosion, whisker formation in case of lead-free micro-alloyed solder alloys. Environmental tests will carried out under different test conditions (temperature, relative humidity, applied bias). AC (alternative current) tests will be also carried out, which is not deeply addressed in the literature of ECM compared to DC (direct current).
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. A new tendency in the electronics development of the Sn–Ag–Cu (SAC) solder alloys is to reduce the silver content and therefore reduce the price as well. Due to the low silver content some micro-alloying elements like antimony, bismuth, cobalt and nickel are represented as candidates of silver. These novel SAC alloys are also called as ‘‘Lead-free Micro-alloyed low Ag Solder Alloys’’. In the micro-alloyed low Ag solder alloys the tin content is relative high (over 98 wt%), while the silver content is much lower (under 1 wt%) than in the case of the traditional SAC alloys (Sn ~96 wt%, Ag ~3 wt%, Cu ~1 wt%). However, the mechanism of the humidity induced failures about the Lead-free Micro-alloyed low Ag Solder Alloys are not fully understood. In order to improve the reliability of the electronics (e.g.: automotive electronics like ABS, ESP) these open questions have to be answered. The results of the environmental tests (detailed in my work plan) can give useful answers for the open questions. For example what are the root causes of the different failure mechanism in the case of the novel Lead-free Micro-alloyed low Ag Solder Alloys.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The main aim of the current research is to improve the reliability of the lead-free micro-alloyed solder alloys used in electronics. The reliability results of the solder alloys would be useful directly for the industrial applications. For example the material choice of the designer will be easier related to the solder alloy type. The results will be published in IEEE (referred) conference papers (Minimum 1 or 2 per year) and in peer reviewed (IFmin = 1.00) journals (Minimum 1 per year). According to my best knowledge, one of my publication was the first (in 2013), which reports some novel ECM results about the novel lead-free micro-alloyed low Ag content solders. In that study, mainly the corroded anode surface was investigated by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), which provided useful information about the anodic dissolution processes which take place during electrochemical migration. Based on this knowledge and on my international research experience and on my relationships (see details in my research plan) I will continue the research of the micro-alloyed low Ag content solders investigating the humidity induced failures under environmental tests.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The universal aim of my research is to improve the reliability level of the high reliability electronics (e.g. Anti-Block-System in the automotive industry). According to different government laws (restrictions) and economical aspects, the electrical industry apply newer and newer types of solder alloys in the above mentioned electronics as well. The main problem is that the novel type of solder alloys show usually weaker reliability behavior than the traditional ones. Some of these reliability behavior can be the corrosion resistance or the short formation susceptibility, which can lead to catastrophic failure as well. On the other hand, the reliability behaviors (e.g. corrosion or short formation) of the novel solder alloys are not well known. Therefore, my research study focuses on the mentioned open questions related to novel solder alloys to find out adequate answers. My scientific results will ensure a higher reliability level of the electronics (e.g. automotive) and therefore our daily life will be more safety as well.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Kutatási tervvel összhangban különféle környezeti vizsgálatokat végeztem az elektronikákban elterjedten használt fémezéseken és ólommentes forraszötvözeteken, beleértve egyes új ólommentes ötvözeteket is. Ezen kívül kifejlesztettünk Mn-al mikro-ötvözött Sn-Ag-Cu (SAC) ólommentes ötvözeteket is (új ólommentes ötvözetként) és különféle megbízhatósági teszteket végeztem el azokon. Az új ólommentes forraszötvözetek esetében az elektrokémiai migrációs és a korróziós tesztek még folyamatban vannak.
A három kutatási év alatt három folyóiratcikk és öt konferenciacikk jelent meg. Az MTMT2 adatbázis szerint IF3 éve = 17,934 és az összesített IFmost = 37,632. A független idézetek száma: 52 volt 3 évvel ezelőtt és most: 234. H-index (most) = 10.
A korrózióval kapcsolatos konferenciák közül az egyik legnagyobb méretű az EUROCORR (https://eurocorr.org/) konferencia. Az EUROCORR-t zászlóshajóként említi az Európai Korróziós Szövetség (EFC) az egyes nemzetközi eseményei között. Több mint ezer részvevőt felvonultatva minden év szeptemberében tartják meg a konferenciát, aminek mindig más és más európai ország ad otthont. Megtiszteltetés volt számomra, amikor teljes jogú tagnak megválasztottak három évre a BoA (Board of Administrators) és STAC (Science and Technology Advisory Committee) bizottságokba (a tagság 2020. január 1-jétől kezdődik).
kutatási eredmények (angolul)
In good agreement with my research plan, I have done different environmental tests on the most popular metallization and lead-free solder alloys including novel ones used in the electronics. Furthermore, Mn micro-alloying Sn-Ag-Cu (SAC) lead-free alloys were developed (as novel lead-free alloys) and conducted various reliability tests. The ECM and corrosion tests are ongoing in case of the novel lead-free solder alloys.
Among the three research years, three journal papers and five conference papers were published. According to the MTMT2 database my IF(3 years ago) = 17.934 and now the summarized IF is: 37.632, the number of independent citations was 52 (3 years ago) and now it is: 234. My H-index is 10 at the moment.
Among the conferences, one of the biggest corrosion related conference is the EUROCORR (https://eurocorr.org/). The European Corrosion Congress – EUROCORR, the European Federation of Corrosion (EFC’s) annual conference, is the flagship event of the international corrosion calendar. Attracting upwards of a thousand delegates, it is held every year in September in a different European country. It was my pleasure, that I have been elected as a member in the Board of Administrators (BoA) and in the Science and Technology Advisory Committee (STAC) for three years in EUROCORR (The membership will start from 1st of January in 2020).
B Medgyes, Gy Kósa, P Tamási, B Szabó, B Illés, M Lakatos-Varsányi, D Rigler, L Gál, M Ruszinkó, G Harsányi: Corrosion Investigations on Lead-Free Solder Alloys in MgCl2 and NaCl Solutions, In: Gabriel, CHINDRIŞ (szerk.) 2017 IEEE 23rd International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (SIITME), IEEE (2017) pp. 427-431., 2017
Adam Sandor, Medgyes Balint, Rigler Daniel, Szabo Bence, Gal Laszlo: Electrochemical Migration of SAC305 Solders and Tin Surface Finish in NaCI Environment, In: 2018 IEEE 24th International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (SIITME), (2018) pp. 71-75., 2018
Zhong Xiankang, Lu Wenjun, Liao Bokai, Medgyes Bálint, Hu Junying, Zheng Yan, Zeng Dezhi, Zhang Zhi: Evidence for Ag participating the electrochemical migration of 96.5Sn-3Ag-0.5Cu alloy, CORROSION SCIENCE 156: pp. 10-15., 2019
Bálint Medgyes: Electrochemical migration of Ni and ENIG surface finish during Environmental test contaminated by NaCl, J MATER SCI: MATER EL 28: (24) 18578-18584, 2017
Bálint Medgyes, Sándor Ádám, Lajos Tar, Vadimas Verdingovas, Rajan Ambat, Gábor Harsányi: Electrochemical Migration of Lead-free Solder Alloys in Na2SO4 Environment, In: J Nikolic, H Wohlrabe (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 40th IEEE International Spring Seminar on Electronics Technology. Seattle: IEEE, 2017. pp. 1-6., 2017
Feng Li, Vadimas Verdingovas, Bálint Medgyes, Rajan Ambat: Corrosion Reliability of Lead-free Solder Systems Used in Electronics, In: J Nikolic, H Wohlrabe (szerk.) (szerk.) Proceedings of the 40th IEEE International Spring Seminar on Electronics Technology. Seattle: IEEE, 2017. pp. 1-6., 2017
Xiankang Zhong, Longjun Chen, Bálint Medgyes, Zhi Zhang, Shujun Gaod, László Jakab: Electrochemical migration of Sn and Sn solder alloys: a review, RSC ADV 7: (45) 28186-28206, 2017
