Ambient-Atmosphere Ultrasonic Atomization of Low-Melting-Point Wood's Alloy Powders: Process Optimization, Atomization Mechanism, and Solderability

تخيل أنك تحاول لصق قطع إلكترونية دقيقة للغاية، مثل المستشعرات في جهاز طبي أو الرقائق في مركبة فضائية. عادةً، ستستخدم اللحام، وهو نوع من الغراء المعدني الذي ينصهر لربط الأشياء. لكن المشكلة تكمن في أن بعض هذه الأجهزة حساسة للغاية لدرجة أنه إذا ارتفعت درجة حرارة الغراء، فسيؤدي ذلك إلى تلف الدائرة. أنت بحاجة إلى غراء ينصهر عند درجة حرارة منخفضة جدًا، تمامًا مثل الزبدة في غرفة دافئة. المشكلة هي أن تحويل هذا الغراء منخفض الانصهار إلى مسحوق ناعم (لكي يمكن رشه أو طباعته بدقة) أمر صعب. إذا حاولت صنعه بالطريقة القديمة، فإن الحرارة قد تتسبب في تبخر المكونات أو صدأ المسحوق (الأكسدة) قبل أن يصل حتى إلى الأرض. الأمر يشبه محاولة صنع كرة ثلج مثالية من رمل مبلل؛ إذا ضغطت بقوة كبيرة أو كان الرمل مبللاً جدًا، فسوف يتفكك ببساطة أو يتحول إلى فوضى طينية. لقد بحث العلماء عن طريقة لتحويل هذا "الزبدة الخاصة" إلى مسحوق ناعم ومستدير وخالٍ من الصدأ دون حرقها أو فقدان أي من مكوناتها السحرية.

يخبرنا هذا البحث قصة كيف اكتشف فريق من الباحثين كيفية صنع ذلك المسحوق المثالي باستخدام الموجات الصوتية بدلاً من النار والقوة. لقد أخذوا خليطًا معدنيًا محددًا يسمى "سبيكة وودز" (Wood's alloy)، والتي تحتوي على عناصر مثل القصدير والبزموت والرصاص والكادميوم، واستخدموا نسخة عالية التقنية من مكبر الصوت لجعل المعدل السائل يهتز. فكر في الأمر كأنك تهز وعاءً من الماء بقوة شديدة بحيث تظهر تموجات على السطح وتطلق قطرات صغيرة في الهواء. من خلال ضبط كيفية هز المعدن (السعة) ودرجة حرارته بعناية، اكتشفوا "النقطة المثالية" لإنشاء كرات معدنية صغيرة ومستديرة تمامًا. وجدوا أنه إذا كان المعدن ساخنًا جدًا، فسيصبح متكتلًا وقبيح المظهر؛ وإذا كان السطح الذي هبطت عليه القطرات ساخنًا جدًا، فلن تتمكن القطرات من التبرد بسرعة كافية لتصبح مستديرة. ولكن عندما ضبطوا الإعدادات بشكل صحيح، صنعوا مسحوقًا جيدًا جدًا لدرجة أنه يمكنه لصق قطعتين من الفولاذ بقوة تقارب 25 ميجا باسكال، مما يثبت أنه جاهز للاستخدام في الإلكترونيات الدقيقة التي لا تتحمل الحرارة العالية.

عرض السحر بالموجات الصوتية

بدأ الباحثون بسبيكة معدنية سائلة تنصهر عند درجة حرارة منخفضة تبلغ 70 درجة مئوية. ولتحويل هذا السائل إلى مسحوق، لم يستخدموا نفث مياه عالي الضغط (الذي سيجعل المعدن يصدأ) أو غرفة تفريغ (التي قد تجعل بعض المكونات تختفي في الهواء). بدلاً من ذلك، استخدموا التذرية بالموجات فوق الصوتية (ultrasonic atomization). تخيل ترامبولين؛ إذا وقفت في المنتصف وقفزت بلطف، فستصنع تموجات صغيرة. وإذا قفزت بقوة، فستصبح التموجات كبيرة وفوضوية. في هذه التجربة، "الترامبولين" هو منصة معدنية مهتزة، و"القافز" هو موجة صوتية عالية التردد.

لقد اختبروا ثلاثة "شدات قفز" مختلفة (سعات الموجات فوق الصوتية): 20%، و25%، و30%.

• عند 20%، لم تكن الموجة قوية بما يكفي. انقسم المعدن السائل إلى رقائق مسطلة وغريبة وكتل، مثل الرمل المبلل الذي لم يتشكل أبدًا على هيئة كرة. بلغ متوسط حجم هذه الجزيئات 77.78 ميكرومتر.
• عند 25%، تحسنت الأمور. تشكلت المزيد من الكرات، لكن بعضها كان لا يزال يحتوي على "أطفال" صغار ملتصقين بها (تسمى القطرات التابعة).
• عند 30%، كانت الموجة مثالية. انقسمت الطبقة السائلة على المنصة المهتزة إلى كرات صغيرة وناعمة وشبه مثالية. انخفض متوسط الحجم إلى 71.07 ميكرومتر، وكانت الجزيئات أكثر تجانسًا بكثير.

أدرك الفريق أن الموجات الصوتية الأقوى تخلق تموجات أكثر عنفًا وفقاعات صغيرة (التكهف/cavitation) داخل السائل. كانت هذه الفقاعات تنفجر بقوة كافية لتمزيق السائل إلى قطرات أصغر وأكثر استدارة قبل أن تتجمد في أشكال غريبة.

منطقة "غولدي لوكس" الحرارية

بعد ذلك، تلاعبوا بدرجة الحرارة، وكأنهم "غولدي لوكس" (التي تبحث عن وعاء العصيدة المثالي). اختبروا تسخين خزان المعدن إلى 90، و120، و150، و180 درجة مئوية.

• بارد جدًا (90 درجة مئوية): كان المعدن ذائبًا بالكاد. لقد عمل بشكل جيد، لكن ليس الأفضل.
• مثالي (90 - 150 درجة مئوية): كانت هذه هي النقطة المثالية. ظل المعدن سائلًا لفترة كافية ليتدحرج ويصبح كرة مثالية قبل أن يتجمد، ولكن ليس لفترة طويلة تجعله يبدأ في الصدأ. كانت الجزيئات ناعمة ومستديرة.
• ساخن جدًا (180 درجة مئوية): كان الأمر كارثيًا. أصبح المعدن ساخنًا جدًا لدرجة أنه بدأ يتأكسد (يصدأ) بسرعة في الهواء. تكونت طبقة قشرية على القطرات، مما منعها من أن تصبح مستديرة. انتهى بهم الأمر بجزيئات مسننة وقبيحة وبها ثقوب.

تحققوا أيضًا من درجة حرارة "الترامبولين" (منصة الاهتزاز) نفسها.

• درجة حرارة الغرفة (28 درجة مئوية): كانت هذه هي الفائزة. عملت المنصة الباردة مثل المجمد، مما ساعد القطرات على التصلب فورًا في شكل كرات مثالية.
• دافئة (70 درجة مئوية): بدأت الجزيئات تصبح غريبة بعض الشيء.
• ساخنة (120 درجة مئوية): كانت المنصة ساخنة جدًا لدرجة أنها عملت كمصدر حرارة ثانٍ. بقيت القطرات سائلة لفترة طويلة، وتأكسدت، وتحولت إلى أشكال غير منتظمة ومتكتلة.

الوصفة السرية والاختبار النهائي

بمجرد الحصول على المسحوق المثالي (صوت بنسبة 30%، خزان بين 90-150 درجة مئوية، ومنصة عند 28 درجة مئوية)، نظروا فيما بداخله. باستخدام المجهر والأشعة السينية، رأوا أن المسحوق لم يكن مجرد خليط من المعادن؛ بل كان يحتوي على بنية خاصة. داخل المسحوق، كانت هناك جزر صغيرة من مركب يسمى Pb7Bi3. فكر في هذا المركب كإسفنجة تمتص البزموت الزائد، مما يساعد الخليط بأكمله على الانصهار عند درجة حرارة أقل والبقاء متجانسًا.

أخيرًا، وضعوا المسحوق تحت الاختبار. استخدموه للحام (لصق) قطعتين من الفولاذ المقاوم للصدأ عند درجة حرارة منخفضة تبلغ 172 درجة مئوية. وعندما سحبوا الوصلة لفصل القطعتين لمعرفة مدى قوتها، صمدت بقوة متوسطة بلغت ~25 ميجا باسكال. هذه القوة كافية للإلكترونيات الدقيقة التي تحتاج إلى الموثوقية ولكن لا تتحمل الحرارة العالية.

وعندما نظروا إلى القطع المكسورة تحت المجهر، رأوا مزيجًا من شيئين: شقوق حادة ومسطحة (مثل كسر الزجاج) وحفر صغيرة (مثل الإسفنج). أخبرهم هذا أن "الجزر" الصلبة من Pb7Bi3 هي التي سببت الشقوق، لكن المعدن الأكثر ليونة حولها ساعد في امتصاص بعض الصدمات، مما جعل الوصلة قوية بما يكفي للمهمة.

باختًا، من خلال الاستماع إلى الصوت الصحيح والحفاظ على الحرارة المناسبة، حول الفريق خليطًا معدنيًا صعبًا ومتقلبًا إلى مسحوق عالي الجودة يمكن أن يكون المكون السري للجيل القادم من الإلكترونيات الآمنة ومنخفضة الحرارة.