Ultrasonik Lehimleme Cihazı Tasarımı Ve Ultrasonik Yöntemle Lehimleme Uygulamaları

Abstract

Lehimleme bir çok endüstride yaygın olarak kullanılan bir birleştirme yöntemidir. Geleneksel lehimleme yöntemleri, havyayla lehimleme, indüksiyonla lehimleme, dirençle lehimleme, fırında lehimleme, dalga lehimleme, sıcak gazla lehimleme ve lazerle lehimlemedir. Kurşunlu lehim alaşımları geleneksel lehimleme yöntemleri ile kullanılabilmektedir. RoHS direktiflerine göre kurşunsuz lehim alaşımlarına geçiş sürecinin başlamasıyla birlikte kurşunsuz lehim alaşımları geliştirilmeye başlanmıştır. Fakat geliştirilen kurşunsuz lehim alaşımları klasik lehimleme yöntemleri ve cihazlarıyla kullanıldığı zaman lehim noktalarında çeşitli problemler ortaya çıkmıştır. Karşılaşılan bu problemleri ortadan kaldırmak, flaks artıkları ve flaks artıklarını temizlemek için kullanılan kimyasalların lehim noktalarında korozyona sebep olmasından dolayı lehimleme işlemlerinde flaks kullanımını ortadan kaldırmak ve cam, seramik gibi metal olmayan yüzeylere lehimleme yapabilmek için yeni bir lehimleme yöntemi ve lehimleme cihazı geliştirilmesi ihtiyacı doğmuştur. Bu ihtiyaçlar göz önünde bulundurularak, bu tez çalışmasında kurşunsuz lehim alaşımları kullanılarak hatasız lehimleme yapabilen, lehimlenmesi zor metallerin ve cam, seramik gibi metal olmayan yüzeylerin lehimlenmesine olanak sağlayan, flaks kullanımının, ön temizleme ve lehimleme işleminden sonra yapılması gereken temizleme işlemlerinin ortadan kaldırıldığı, çevre dostu ve ekonomik bir yöntem olan ultrasonik lehimleme cihazı tasarımı yapılmıştır. Tasarımı yapılan cihaz 1400 Watt gücünde 20 kHz frekansında titreşim üreten ultrasonik jeneratör, elektriksel titreşimleri mekanik titreşimlere çeviren (dönüştürücü) transduser, titreşimin genliğini 50 mikrona ayarlayan yükseltici, lehimlenen parçalara titreşimi ileten horn, lehimlenen parçaları sabitlemek için bir altlık, lehim noktalarına basınç uygulamak üzere pnömatik basınç sistemi ve titreşim süresinin kontrol edildiği dijital ekrandan oluşmaktadır. Lehimleme işlemi, mekanik titreşimlerin lehimlenecek parçalara iletilmesiyle sürtünmeden dolayı açığa çıkan ısı ile yapılmaktadır. Tasarımı yapılan cihazın performansını test etmek üzere alüminyum üzerine bakır klipsler, lehim alaşımı ve flaks kullanılmadan, ön ısıtma ve ön temizleme yapılmadan lehimlenerek deneysel çalışmalar yapılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalarda; titreşim süresinin ve basıncın lehimlemeye etkisini incelemek üzere 1,5 barda ve 2 barda 1 sn, 2 sn, 3 sn, 4 sn, 5 sn ve 6 sn titreşim uygulanarak bakır klipsler alüminyum yüzeye lehimlenmiştir. Deneylerin sonucunda 1,5 barda yapılan lehimlerde bakır ve alüminyumun birbirine geçiş bölgesinin en geniş olduğu titreşim süresinin 4 sn olduğu ve geçiş bölgesinin kalınlığının 8,92 mikron olduğu, 2 barda ise alüminyum ve bakırın birbirine geçiş bölgesinin en geniş olduğu titreşim süresinin 3 sn olduğu ve geçiş bölgesinin kalınlığının 5,5 mikron olduğu tespit edilmiştir. Farklı malzemelerin lehim noktasının mukavemetine etkisini incelemek üzere bakır klipsler nikel kaplanarak 1,5 bar ve 2 bar basınçta 1 sn, 2 sn, 3 sn, 4 sn, 5 sn ve 6 sn titreşim uygulanarak lehimlenmiştir. Nikel kaplı bakır kullanılarak yapılan deneylerden alınan numuneler taramalı elektron mikroskobunda incelendiğinde alüminyum ve nikelin birbiri içerisine geçişinin 1,5 barda 5 sn’de 1,96 mikron olarak, 2 barda 4 sn’de 1,85 mikron olarak en kalın değerine ulaştığı tespit edilmiştir. Böylece belli sürelere kadar artan titreşim süresinin geçiş bölgesinin kalınlığını artırdığı belli süreden sonra azaltığı tespit edilmiştir. Basıncın artırılmasıyla lehimleme süresinin azaldığı tespit edilmiştir. Farklı malzemelerin termal davranışı ve sürtünme katsayıları farklı olduğu için sabit basınç ve titreşim sürelerinde bir biri içierisine geçişlerinin aynı oranda olmadığı görülmüştür. Oluşan lehim noktalarının mukavemetlerini incelemek üzere 5 mm/dak. hızla çekme testleri yapılmıştır. Yapılan testlerle çekme mukavemetinin artan basınç ve titreşim süresi ile değişimi incelenmiştir. Alüminyum üzerine bakır klipsler lehimlenerek elde edilen lehim noktalarının çekme mukavemetleri incelendiğinde en yüksek çekme mukavemetinin 1,5 bar basınç altında 3 sn titreşim uygulandığında 548 N olduğu, 2 bar basınç altında 2 sn titreşim uygulandığında 564 N olduğu tespit edilmiştir. 1,5 bar ve 2 bar basınç altında oluşan lehim noktalarının çekme mukavemetlerinin artan titreşim süresi ile belli sürelere kadar arttığı, belli sürelerden sonra azaldığı tespit edilmiştir. Artan basınçla çekme mukavemetinin arttığı, aynı zamanda en yüksek çekme mukavemetine sahip lehim noktalarının basıncın artmasıyla daha kısa süre titreşim uygulanarak elde edildiği tespit edilmiştir. Alüminyum üzerine nikel kaplı bakır klipsler lehimlenerek elde edilen lehim noktalarının çekme mukavemetleri incelendiğinde en yüksek çekme mukavemetinin 1,5 bar basınç altında 3 sn titreşim uygulandığında 429 N olduğu, 2 bar basınç altında 3 sn titreşim uygulandığında 433 N olduğu tespit edilmiştir. 1,5 bar ve 2 bar basınç altında oluşan lehim noktalarının çekme mukavemetlerinin artan titreşim süresi ile belli sürelere kadar arttığı, belli sürelerden sonra azaldığı tespit edilmiştir. Artan basnçla çekme mukavemetini çok büyük oranda artırmadığı ve en yüksek çekme mukavemetine sahip lehim noktalarının 1,5 bar ve 2 bar basınç uygulandığında aynı sürede oluştuğu görülmüştür. Cam üzerine kalay kaplı bakırlar SAC 305 kurşunsuz lehim alaşımı kullanılarak 1,5 bar ve 2 bar basınç altında 1 sn, 2 sn ve 3 sn titreşim uygulanarak lehimlenmiştir. 1,5 bar basınç altında 1 sn titreşim uygulandığında SAC 305 lehim alaşımının ergidiği ancak homojen lehim noktalarının oluşmadığı, 2 bar basınç altında 1 sn titreşim uygulandığında SAC 305 lehim alaşımının tamamen ergidiği ve homojen lehim noktalarının oluştuğu görülmüştür. Fakat titreşim süresinin 1,5 bar ve 2 bar basınç altında 1 sn’nin üzerine çıkarıldığında cam yüzeyinde aşınmaların meydana geldiği tespit edilmiştir. Oluşan lehim noktalarının çekme mukavemetleri incelendiğinde ise ise en yüksek çekme mukavemetinin 2 bar basınç altında 1 sn titreşim uygulandığında 120 N olduğu görülmüştür. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda alüminyum yüzeyine bakır ve nikel kaplı bakır klipsler lehimlendiğinde 1,5 bar ve 2 bar basınç altında oluşan lehim noktalarının çekme mukavemetlerinin elektrik ve elektronik sektörü ile otomotiv sektörü için belirlenen standartların üzerinde olduğu tespit edilmiştir.

Soldering is a joining of two metal parts with a filler metal which has lower melting point than joining metals. Flux is necessary for solder spreading to all the surface and solder (filler metal) is necessary for joining and heat is necessary for melting the solder. Steps of soldering process are precleaning, fluxing, preheating, prewetting and soldering. Filler metal is used to wet the surfaces of a joint and form a metallurgical bonds between two metals parts. If the melting temperature of filler metal is lower than 450 oC joining process is soldering, If the melting temperature of filler metal is greater than 450 oC , joining process is brazing. Soldering is used in many industry for bonding metals. Traditional soldering methods are classified according to heat source. They are iron soldering, induction soldering, resistance soldering, furnace soldering, wave soldering, hot gas soldering and laser soldering which are used to bond with lead tin solder. According to RoHS directives, using lead is banned in electronic applications therefore, lead-tin solder is also banned. Because of this ban, lead free solder has been started to develop. However, lead free solder is not suitable for traditional soldering methods. When lead free solder is used with traditional soldering methods, there are some problems in joints. These problems are cold joints, nonwetting, dewetting, leaching, intermetallics, voids, skew, soak, bridge, splash, white residue, charred residue, poor probing contact, flux residue content, surface insulation resistance or electrochemical migration failure, delamination, voiding, non-curing of conformal coating and encapsulants. In soldering, flux is used to wet joint well and flux residual should be cleaned with chemical agent after soldering. However flux residual and chemical agent residual cause to corrosion in joints therefore using flux is not suggested in soldering operations. At the present time, glass and ceramic surfaces are used to solder on but traditional soldering methods are not suitable for soldering on them. To resolve these problems, a new soldering methods and soldering equipment are necessary. According to these necessities, ultrasonic soldering method is determined the best method for solving these problems. In ultrasonic system, firstly generator converts electric energy with low frequency to electrical vibration with high frequency, secondly transducer converts electrical vibration to mechanical vibration. After that, the amplitude of mechanical vibration is adjusted to enough value for soldering. And then mechanical vibration is transfered to the joining parts by horn. Therefore ultrasonic soldering is occurred with heat supplied from friction which is provided between specimens by mechanical vibration. Ultrasonic soldering machine which are environment friendly, economic, fast, suitable for lead free solder and resolve joint problems, used to solder on glass, ceramic, aluminium and stainless steel surfaces is designed in this study. Flux is not used with ultrasonic soldering machine to clean soldering surfaces and wet well, so there is not flux residuals and chemical residuals which is used for cleaning flux residual after soldering. Because of this corrosion doesn’t occur at the joints since corrosion occurs with flux residuals and chemical residuals. Equipment of designed ultrasonic soldering machine are generator, transducer, booster, horn, substrate, pressure unit and control unit. Generator has 1400 W power and produce 20 kHz frequency electrical vibration. Piezoelectric transducer is used to convert electrical vibration to mechanical vibration. Booster is necessary for adjusting amplitude of vibration. Horn transfers mechanical vibration to the specimens. Horn design is depend on two parameters. First parameter is horn material because the dimension of horn should be half of wave length which is calculated from sound velocity in horn material which should be selected according to hardness, wear resistance and acoustical properties. Second parameter is geometry of joined materials because vibration should be sent to joined material otherwise vibration is sent to environment of solder joint. According to these parameters, horn is designed and produced with hardened steel. Substrate is designed according to specimen geometry, because it is used to fix specimen before soldering to prevent slip. Substrate material should be seleceted according to roughness, thermal conductivity and absorption coefficient. Because joining materials is fixed to substrate which should not be deformed by heating. According to these parameters, castermid is selected for substrate materials. Pressure unit provides motion of horn and compression force to solder joint for forming homogenous joint. In this study, pressure unit is pnömatic system because pnömatic system is cheaper and more simple than hydraulics system. Vibration time and waiting time after vibration can bu adjusted with control units. Construction material is steel. Its material is selected according to mass, wear resistance, rigidity and view. To test the performance of designed machine, some experimental studies are done. In these experimental studies, copper clips and nickel coated copper clips are soldered on aluminium surfaces without precleaning, using flux, preheating and solder. To determine the effect of vibration time and pressure to soldering, copper clips and nickel coated copper clips are soldered with 1,5 bar and 2 bar pressure in 1 s, 2 s, 3 s, 4 s, 5 s, 6 s. And also tin coated copper clips is soldered on glass surface without precleaning, using flux and preheating. To determine the effect of vibration time and pressure to soldering, tin coated copper clips is soldered with 1,5 bar and 2 bar pressure in 1 s, 2 s, 3 s. After soldering, aluminium and copper transition zone is investigated with scanning electron microscope. In SEM analysis, some result is determined the widest transition zone with 1,5 bar pressure in 4 s and with 2 bar pressure in 3 s. The widest transition zone is 8,92 µm when 1,5 bar pressure and 4 s vibration are applied. The widest transition zone is 5,5 µm when 2 bar pressure and 3 s vibration are applied. CuAl2 intermetallic compound is identified in SEM analysis. It is occurred when applied pressure is 1,5 bar in 3s and 4 s. Increased vibration time increases transition zone till 4 s, but after 4 s increaed vibration time reduces transition zone. Increased vibration time increases transition zone till 3 s, but after 3 s increased vibration time reduces transition zone. And also increased pressure reduces transition zone and soldering time when the widest transition zone occur. To determine how soldering properties of different materials change, nickel coated copper clips are soldered on aluminium surfaces with 1,5 bar and 2 bar pressure in 1 s, 2 s, 3 s, 4 s, 5 s, 6 s. After soldering coated copper clips, transition zone is investigated in SEM analysis. The widest transition zone is determined in 5 s with 1,5 bar pressure, and 4 s with 2 bar pressure. The widest transition zone is 1,96 µm when 1,5 bar pressure and 5 s vibration are applied. The widest transition zone is 1,85 µm when 2 bar pressure and 4 s vibration are applied. Any intermetallic compound is not determined in SEM analysis. As a result, increased vibration time increases area of transition zone till oxidation starts and then increased vibration time reduces area of transition zone. Increased pressure reduces the area of transition zone and soldering time when the widest transition zone occur. Every material has different thermal properties and friction coefficient therefore, transition zone area of every materials are different from each other. To determine strength of soldering joint, tensile test is done with 5 mm/min. velocity at room temperature. With tensile test, the highest tensile strength for copper clips, nickel coated clips and tin coated clips is investigated. And also, the change of solder joint strenght according to pressure, vibration time and materials is determined. After tensile test of aluminum-copper solder joint, the highest strength is determined as 548 N when 1,5 bar pressure and 3 s vibration are applied. The highest strength is determined as 564 N when 2 bar pressure and 2 s vibration are applied. According to aluminum-copper tensile test, some result is determined increased vibration time increases stregth of joint till a point end then incerased vibration time reduces strength of joint. Increased pressure increases stgrength of joint but reduces soldering time when the highest strength of joint is occurred. After tensile test of aluminum-nickel coated copper solder joint, the highest strength is determined as 429 N when 1,5 bar pressure and 3 s vibration are applied. The highest strength is determined as 433 N when 2 bar pressure and 3 s vibration are applied. According to aluminum-nickel coated copper tensile test, some result is determined increased vibration time increases strength of joint till a point end then incerased vibration time reduces strength of joint. Increased pressure increases stgrength of joint but this amount of increases is not very much. Increased pressure does not change soldering time when the highest strength of joint is occurred. After tensile test of glass-tin coated copper solder joint, the highest strength is determined as 120 N when 2 bar pressure and 1 s vibration are applied. 1 s and 1,5 bar pressure is enough to melt SAC 305 alloy. However 1,5 bar pressure is not enough for creating homogeneous soldering joint. Some deformation on glass is determined when the vibration time is higher than 1 s. Therefore the most suitable soldering time is determined as 1 s and soldering pressure is determined as 2 bar to form homogeneous solder joints. According to these results, soldering properties of different material are determined as every materials has different thermal properties and friction coefficient therefore, transition zone area of every materials are different from each other. Strength of solder joint is enough to provide the standarts of electric and electronic sector and automotiv sector. Two metals is fastly soldered under low pressure without using flux and solder, preheating, precleaning by designed ultrasonic soldering machine. Tin coated copper clips is fastly soldered on glass under low pressure with Pb free solder and without using flux, preheating and precleaning. In this study, horn material is hardened steel but it is eroded in time thus horn material should be titanium for hardwearing.