Effects of Ultrasonic Atomization Parameters on the Properties of Sn-58Bi Powder and Its Application in Ultrasonic-Assisted Soldering

تخيل أنك تحاول بناء مدينة صغيرة ومثالية من المعدن. للقيام بذلك، تحتاج إلى كتل البناء—المساحيق المعدنية—أن تكون مستديرة تماماً، مثل كرات الرخام الصغيرة، وأن تكون جميعها متقاربة في الحجم تقريباً. إذا كانت كتلك عبارة عن صخور مسننة أو تكتلات غريبة معاً، فستكون مدينتك ضعيفة وفوضوية. هذا هو عالم المساحيق المعدنية، ذلك الغبار غير المرئي الذي يصنع كل شيء، بدءاً من الأدوات المطبوعة ثلاثية الأبعاد وصولاً إلى وصلات اللحام الدقيقة التي تمسك مكوناتنا الإلكترونية معاً. لكن صنع هذه "الكرات الرخامية" المثالية أمر صعب. الطرق التقليدية تشبه محاولة نحت الطين بمطرقة ثقيلة: يمكن أن تكون فوضوية، أو تُدخل شوائب، أو تترك المعدن يبدو مثل علبة صودا مجعدة بدلاً من كرة ملساء.

هنا يأتي دور الترذيذ بالموجات فوق الصوتية (ultrasonic atomization)، وهي تقنية تستخدم موجات صوتية عالية التردد لتحويل المعدن السائل إلى رذاذ ناعم من القطرات. فكر في الأمر كأنك تهز زجاجة صودا بقوة شديدة بحيث يخرج السائل على شكل رذاذ دقيق ومثالي بدلاً من رشاش فوضوي. تخلق الموجات الصوتية تموجات على سطح المعدن المنصهر، وعندما تصبح هذه التموجات كبيرة بما يكفي، تنفصل لتشكل قطرات صغيرة تبرد وتتحول إلى مسحوق. ولكن هنا تكمن المعضلة: تماماً مثل خبز الكعكة، فإن "الوصفة" مهمة. ما مدى قوة الصوت؟ ما مدى حرارة المعدن؟ هل تقوم بتدوير الوعاء؟ وهل تحمي المعدن من الهواء، الذي يمكن أن يجعله يصدأ أو يتأكسد؟ إذا أخطأت في الوصفة، ستحصل على كتلة قبيحة وفوضوية. وإذا أصبت، ستحصل على كتل البناء المثالية لمستقبل الإلكترونيات.

تتعمق هذه الدراسة في وصفة صنع مسحوق Sn-58Bi، وهو نوع معين من سبائك المعادن الخالية من الرصاص المستخدمة لربط الأجزاء الإلكترونية ببعضها. لقد تصرف الباحثون كطهاة محترفين، حيث قاموا بتعديل أربعة مكونات رئيسية: حجم الصوت (السعة)، درجة حرارة المعدن، ما إذا كان وعاء المعدن يدور (دوران السونوت رود)، وما إذا كانوا قد طبخوا المعدن تحت غطاء واقٍ من غاز الأرغون بدلاً من الهواء العادي. أرادوا معرفة كيف يؤثر كل تغيير على شكل وحجم ونظافة المسحوق الناتج. وبمجرد العثور على "الوصفة الذهبية"، لم يتوقفوا عند المسحوق فحسب؛ بل حولوه إلى معجون لحام واختبروا مدى قدرته على الصمود في الوصلات الإلكترونية، مقارنين معجونهم المصنوع خصيصاً بنسخة تجارية تباع في المتاجر.

صوت الكرات المثالية

أول شيء اختبره الفريق هو حجم الموجات فوق الصوتية. تخيل مصهور المعدن كأنه ترامبولين. إذا قفزت برفق (سعة منخفضة)، فستصنع تموجات صغيرة فقط. ولكن إذا قفزت بقوة (سعة عالية)، فسيقفز الترامبولين بجنون، مما يكسر السطح إلى قطع أصغر وأكثر تجانساً. وجد الباحثون أن رفع الصوت إلى 30% من السعة كان هو النقطة المثالية. عند هذا المستوى، كانت جزيئات المسحوق هي الأصغر والأكثر استدارة، بمتوسط حجم (D50) يبلغ 83.37 ميكرومتر (رغم أنه في الخليط الأمثل النهائي كان 65.5 ميكرومتر). أما الأحجام الأقل، مثل 20%، فقد نتج عنها خليط فوضوي من الصخور المسننة والجسيمات الصغيرة "التابعة" التي تلتصق بالجسيمات الكبيرة، مثل البرنقيل الذي يلتصق بالحوت. خلق الصوت العالي تموجات أقوى و"تكهفاً" (cavitation) أكثر عنفاً (فقاعات صغيرة تنفجر داخل السائل)، مما ساعد في تمزيق المعدن إلى كرات صغيرة مثالية.

درجة حرارة "غولدي لوكس" (الدرجة المثالية)

بعد ذلك، تلاعبوا بـ الحرارة. قد تعتقد أن الحرارة الأعلى هي الأفضل دائماً لأن المعدن الساخن يتدفق بسهماً، مثل العسل عندما يسخن. لكن الباحثين اكتشفوا منطقة "غولدي لوكس" (المنطقة المثالية). عندما سخنوا المعدن إلى 199 درجة مئوية (أعلى قليلاً من نقطة انصهاره)، كان المسحوق ممتازاً. ومع ذلك، عندما رفعوا الحرارة إلى 499 درجة مئوية، ساءت الأمور. أصبح المسحوق أكبر، وأكثر تكتلاً، وأقل استدارة. لماذا؟ لأنه عند درجات الحرارة العالية، يبدأ المعدن في التفاعل مع الهواء، مكوناً طبقة أكسيد قشرية. تعمل هذه الطبقة كجلد صلب يمنع القطرات من الانكماش لتصبح كرات مثالية. الأمر يشبه محاولة دحرجة كرة من العجين لها غلاف خارى جاف وصلب؛ فلن تصبح كرة ملساء أبداً. جاءت أفضل النتائج من إبقاء درجة الحرارة منخفضة نسبياً عند 199 درجة مئوية، مما حافظ على نظافة المعدونة وسيولته لتشكيل كرات مثالية.

الدوران مقابل السكون

تساءل الفريق أيضاً عما إذا كان تدوير وعاء المعدن سيساعد، تماماً مثل تدوير عجينة البيتزا لجعلها أكبر. اختبروا سرعات 0 دورة في الدقيقة (ساكن)، و10 دورات في الدقيقة، و20 دورة في الدقيقة. ومن المثير للدهشة أن الدوران لم يجعل المسحوق أفضل، بل جعله أسوأ. وبينما ساعد الدوران في جمع كمية أكبر من المسحوق (زيادة الإنتاجية)، إلا أنه أفسد الجودة. القوة الناتمة عن الدوران قذفت السائل بشكل غير متساوٍ، مما خلق خليطاً من القطرات الضخمة والصغيرة جداً. أصبح المسحوق أقل استدارة وأكثر عدم انتظام. اتضح أنه بالنسبة لهذه الوصفة تحديداً، كان إبقاء الوعاء ساكناً (0 دورة في الدقيقة) هو السر للحصول على جسيمات أكثر تجانساً واستدارة.

الدرع الخفي

ربما كان التغيير الأكثر دراماتيكية هو تغيير الغلاف الجوي. قارنوا بين صنع المسحوق في الهواء العادي مقابل استخدام غطاء واقٍ من غاز الأرغون. الأرغون أثقل من الهواء، لذا فهو يهبط ويدفع الأكسجين بعيداً، مما يمنع المعدن من الصدأ أثناء سخونته. الفرق كان شاسعاً كالليل والنهار. في الهواء، كان المسحوق متكتلاً قليلاً ويحتوي على نسبة أعلى من الأكسجين. أما في الأرغون، فقد كان المسحوق أدق بكثير، حيث انخفض متوسط الحجم إلى 65.5 ميكرومتر (بنسبة انخفاض قدرها 29.19%)، وكانت الجسيمات أكثر استدارة بكثير (قفزت درجة الاستدارة من 0.79 إلى 0.87). حافظ درع الأرغون على نظافة المعدن، مما سمح للموجات فوق الصوتية بالقيام بعملها بشكل مثالي دون تدخل من طبقة الأكسيد القشرية.

الاختبار النهائي: لصق الأشياء معاً

مع حصولهم على وصفة المسحوق المثالية (30% سعة، 199 درجة مئوية، بدون دوران، وغاز الأرغون)، صنع الباحثون معجون لحام مخصص واختبروه على ألواح نحاسية. استخدموا تقنية اللحام بمساعدة الموجات فوق الصوتية، والتي تستخدم الموجات الصوتية لإزالة طبقات الأكسيد ومساعدة اللحام على التدفق. تلاعبوا بمدة تطبيق الموجات (من ثانيتين إلى 16 ثانية) ومدة بقاء الوصلة (وقت الثبات).

كانت النتائج قصة واضحة مفادها أن "الأكثر ليس دائماً الأفضل". عندما طبقوا الموجات فوق الصوتية لمدة 8 ثوانٍ، كانت الوصلة هي الأقوى، حيث وصلت قوة القص إلى 44.7 ميجا باسكال. كانت هذه هي "النقطة المثالية" حيث قامت الموجات بتنظيف السطح وساعدت المعدن على الارتباط بشكل مثالي، مكونة طبقة رقيقة وقوية من المركبات بين المعدنية (IMCs) بسمك حوالي 2.68 ميكرومتر. ولكن إذا استمروا في تشغيل الموجات فوق الصوتية لمدة 16 ثانية، أصبحت الوصلة أضعف. أصبحت الموجات فوق الصوتية عدوانية للغاية، حيث قامت حرفياً بتحطيم طبقة الارتباط المتكونة حديثاً وتفكيكها. الأمر يشبه استخدام فرشاة أسنان لتنظيف ساعة دقيقة: الفرك اللطيف ينظفها، لكن الفرك بقوة يكسر التروس.

في النهاية، أدى المعجون المصنوع خصيصاً، باستخدام المسحوق الأمثل، أداءً أفضل من المعجون التجاري المتاح في المتاجر في معظم الاختبارات. تثبت الدراسة أنه من خلال ضبط الصوت والحرارة والغلاف الجوي بعناية، يمكننا إنشاء مساحق معدنية فائقة تجعل الاتصالات أقوى وأكثر موثوقية للإلكترونيات في المستقبل. إنها تذكير بأن أفضل طريقة لبناء المستقبل هي أحياناً الاستماع بتركيز لصوت المعدن نفسه.