The effect of base metal grain size on isothermal solidification behavior of Ni-base superalloy, CMSX-2 during transient liquid phase (TLP) bonding was investigated employing MBF-80 insert metal. TLP-bonding of single crystal. coarse-grained and fine-grained CMSX-2 was carried out at 1373∼1548k for various holding time in vacuum. The eutectic width diminished linearly with the square root of holding time during isothermal solidification process for single crystal, coarse-grained and fine-grained base metals. The completion time for isothermal solidification decreased in the order ; single crystal, coarse-grained and fine-grained base metals. The difference of isothermal solidification rates produced when bonding the different base metals could be explained quantitatively by the effect of base metal grain boundaries on the apparent average diffusion coefficient of boron in CMSX-2.
On the Transient Liquid Phase Bonding (TLPB) phenomenon with the MBF-50 insert metal at narrow gap (under 100), it takes long time for the bonding and the homogenizing. Typically, isothermal solidification is controlled by the diffusion of depressed element of B and Si. However, the amount of B and Si in the MBF-50 filler metal is large. This is reason of the long bonding time. Also, the MBF-50 filler metal did not contained Al and Ti which are ${\gamma}^{\prime}$ phases former. This is reason of the long homogenizing time. From the bonding phenomenon with the MBF-50 insert metal, we search main factors on the bonding mechanism and select several insert-metals for using the wide-gap TLPB. New insert-metals contained Al and Ti which are ${\gamma}^{\prime}$ phases former and decrease the B then the MBF-50. When the new insert-metal was used on the TLPB, the bonding time was decreased about 1/10 times and homogenizing heat treatment was no needed. In spite of the without homogenizing, the volume fraction of ${\gamma}^{\prime}$ phases in the boned interlayer was equal to homogenizing heat treated specimen which was TLPB with the MBF-50. Finally, the new insert metal named WG1 for the wide-gap TLPB is more efficient then the MBF-50 filler metal without decreasing the bonding characteristic.
A highly reliable conductive adhesive obtained by transient liquid-phase sintering (TLPS) technologies is studied for use in high-power device packaging. TLPS involves the low-temperature reaction of a low-melting metal or alloy with a high-melting metal or alloy to form a reacted metal matrix. For a TLPS material (consisting of Ag-coated Cu, a Sn96.5-Ag3.0-Cu0.5 solder, and a volatile fluxing resin) used herein, the melting temperature of the metal matrix exceeds the bonding temperature. After bonding of the TLPS material, a unique melting peak of TLPS is observed at 356 ℃, consistent with the transient behavior of Ag3Sn + Cu6Sn5 → liquid + Cu3Sn reported by the National Institute of Standards and Technology. The TLPS material shows superior thermal conductivity as compared with other commercially available Ag pastes under the same specimen preparation conditions. In conclusion, the TLPS material can be a promising candidate for a highly reliable conductive adhesive in power device packaging because remelting of the SAC305 solder, which is widely used in conventional power modules, is not observed.
The change of microstructures in the base metal during transient liquid phase bonding process of directionally Ni base superalloy, GTD-111 was investigated. Bonds were fabricated using a series of holding times(0-7.2ks) at three different temperatures(1403, 1418 and 1453K) under a vacuum of 13.3mPa. In raw material, ${\gamma}$- ${\gamma}$' eutectic phases, platelet η phases, MC carbide and PFZ were seen in interdendritic regions or near grain boundary and size of primary ${\gamma}$' precipitates near interdendritic regions were bigger than core region. The primary ${\gamma}$' precipitates in dendrite core were dissolved early in bonding process, but ${\gamma}$' precipitates near interdendritic regions were dissolved partially and shape changed. The dissolution rate increased with increasing temperature. Phases in interdendritic regions or near pain boundary continually changed with time at the bonding temperature. In the bonding temperature of 1403K, eutectic phases had not significantly changed, but η phases had transformed from platelet shape to needle morphology and PFZ region had widened with time. The interdendritic region and near pain boundary were liquated partially at 1423k and fully at 1453k by reaction of η phases and PFZ. In the bonding temperature of 1453K, interdendritic region and near pain boundary were liquated and then new phases which mixed with η phases, PFZ and MC carbide crystallized during cooling. Crystallized η phases transformed from rod shape to platelet shape with increasing holding time.
The effect of bonding misfit on single crystallization of transient liquid phase (TLP) bonded joints of single crystal superalloy CMSX-2 was investigated using MBF-80 insert metal. The bonding misfit was defined by (100) twist angle (rotating angle) at bonded interface. TLP bonding of specimens was carried out at 1523K for 1.8ks in vacuum. The post-bond heat treatment consisted of the solution and sequential two step aging treatment was conducted in the Ar atmosphere. The crystallographic orientation analysis across the TLP bonded joints was conducted three dimensionally using the electron back scattering pattern (EBSP) method. EBSP analyses f3r the bonded and post bonded heat treated specimens were conducted. All bonded joints had misorientation centering around the bonded interface for as-bonded and post-bond heat treated specimens with rotating angle. The average misorientation angle between both solid phases in bonded interlayer was almost identical to the rotating angle at bonded interface. HRTEM observation revealed that the atom arrangement of both solid phases in bonded interlayer was quite different across the bonded interface. It followed that grain boundary was formed in bonded interface. It was confirmed that epitaxial growth of the solid phase occurred from the base metal substrates during TLP bonding and single crystallization could not be achieved in joints with rotating angle.
TLP(Transient-Liquid-Phase) bonding of Fe-base MA956 ODS alloy was performed. As insert metal a commercially available Ni-base alloy(MBF50) and an MA956 alloy with additive elements of 7wt% Si and 1wt% B were used. To confirm the idea that a concurrent use of MA956 powder with Insert metals can enhance the homogenization of constituent elements and thereby reduce the thickness of joint interface, MA956 powder was also inserted In a form of sheet. SEM observation and EDS analysis revealed that Cr-rich phase was formed in the bonded interface in initial stage of isothermal solidification during the bonding process, irrespective of kind of insert metals. Measurement of hardeness in the region of bonded interface and EDS analysis showed that a complete homogenization of composition could not be obtained especially in case of MBF50. Joints using either BSi insert metals only or BSi insert together with MA956 powder interlayer showed, however, a remarkable improvement in a compositional homogenization, even though a rapid grain growth in the bonded interface could not be hindered.
The metallurgical study of microconstituents in transient liquid phase bonded joints of Ni-base single crystal superalloys, CMSX-2 and CMSX-4 was investigated employing MBF-80 insert metal. TLP bonding of specimens was carried out at 1,373~1,523K for 0~19.6ks in vacuum. Three types of microconstituents ; needle-like constituent, dot-like constituent and abnormal shape constituent were formed in the bonded interlayer during TLP bonding operation. All these microconstituents were identified as boride. Microconstituents contain a large percentage of Cr in the early stage of bonding. As increasing the holding time, the amount of Cr was decreased and the amount of W, Co and Re were increased. From the analysis results of electron diffraction pattern by TEM, composition of elements in microconstituents were into MBlongrightarrowM$_{5}$B$_3$longrightarrowM$_2$B type with the increased in holding time. It can be explained by the fact that the relative amount of boron in microconstituents was decreased when the holding time was increased.d.
This study was carried out to investigate the effect of bonding temperature and heating rate on transient liquid phase diffusion bonding of Ni-base superalloy. The heating rate was varied by $0.1^{\circ}C$/sec, $1^{\circ}C$/sec, $10^{\circ}C$/sec to the bonding temperatures $1100^{\circ}C,\;1150^{\circ}C,\;1200^{\circ}C$ under vacuum. As bonding temperature increased, maximum dissolution width of base metal increased, but a dissolution finishing time decreased. The eutectic width of insert metal in the bonded interlayer decreased linearly in proportion to the square root of holding time during isothermal solidification stage. The bonding temperature was raised, isothermal solidification rate slightly increased. As the heating rate decreased and the bonding temperature increased, the completion time of dissolution after reaching bonding temperature decreased. When the heating rate was very slow, the solidification proceeded before reaching bonding temperature and the time required for the completion of isothermal solidification became reduced.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.30
no.1
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pp.55-62
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2023
In this study, Sn-3.0Ag-0.5Cu (wt.%, SAC305) solder dipping process was performed between Ni-foam skeleton with different pore per inch (PPI) to fabricate Ni-foam/SAC305 composite solder, and then applied to the transient liquid phase (TLP) bonding process to evaluate the microstructure and mechanical properties of the bonded joint. The Ni-foam/SAC305 composite solder preform consisted of Ni-foam and SAC305, and an intermetallic compound (IMC) having a (Ni,Cu)3Sn4 composition was formed at the Ni-foam interface. During TLP bonding process, the IMC at the Ni-foam interface was converted to (Ni,Cu)3Sn4+Au, and as the bonding time increased, the Ni-foam and SAC305 continuously reacted, and the bonded joint was converted into an IMC. And it was confirmed that the 130 PPI Ni-foam/SAC305 composite solder joint was converted into an IMC at the fastest rate. As a result of performing a shear test to confirm the effect of Ni-foam on mechanical properties, solder joints under all conditions exhibited excellent mechanical properties of 50 MPa or more in the early stages of the TLP bonding process, and the shear strength tends to increase as the bonding time increases.
Although alumina aggregates have been used as refractory aggregates due to the improved mechanical properties of refractories as a result of the low contraction of alumina aggregates, the aggregates have a difficulty in fabrication due to its low sinterability. Two types of alumina aggregates and a fused alumina aggregate containing transient liquid forming additives are prepared to investigate the sintering characteristics of aggregates. $Al_2O_3$rich composition in the $Al_2O_3$-MgO-$SiO_2$(-$TiO_2$) system is chosen for the transient liquid phase sintering and the final recrystallized bonding phase between grains inside the fused alumina aggregates is found to be a needle-like mullite phase. The flexural strength of alumina bars, reaction-bonded using the paste having a composition of $Al_2O_3$-MgO-$SiO_2$-$TiO_2$, is about 78 MPa, which is one half value of that of pure alumina.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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