Synergistic effects of In nanoparticle doping and ultrasonic assistance on the interfacial microstructure and reliability of Sn58Bi/Ni solder joints

في عالم الإلكترونيات الحديثة، تتقلص الأجهزة بينما تزداد قوتها، وهو اتجاه يتطلب طرقًا جديدة لربط المكونات الدقيقة. وتعد وصلة اللحام واحدة من أهم هذه الوصلات، وهي عبارة عن جسر معدني صغير يثبت الرقائق إلى لوحات الدوائر. لعقود من الزمن، اعتمد المهندسون على لحام يحتوي على الرصاص، لكن المخاوف البيئية دفعت الصناعة نحو بدائل خالية من الرصاص. ومن بين هذه البدائل، تبرز خليط من القصدير والبزموت، المعروف باسم Sn58Bi، لأنه ينصهر عند درجة حرارة منخفضة، مما يجعله لطيفًا على الإلكترونيات الحساسة. ومع ذلك، فإن هذه المادة بها عيب كبير: فهي هشة بطبيعتها. فمثل قطعة من الطباشير، تميل إلى الانكسار بدلًا من الانحناء عند تعرضها للإجهاد أو التغيرات في درجات الحرارة، مما قد يؤدي إلى تعطل الأجهزة الإلكترونية قبل أوانها. ولإصلاح ذلك، يبحث العلماء عن طرق لتقوية المعدن دون فقدان ميزة الانصهار المنخفض، وغالبًا ما يتم ذلك عن طريق إضافة جزيئات دقيقة أو استخدام قوى فيزيائية لإعادة ترتيب البنية الداخلية للمعدن.

لقد شرع فريق من الباحثين في جامعة شيامن للتكنولوجيا والأكاديمية الصينية للآلات في حل مشكلة الهشاشة هذه من خلال الجمع بين تقنيتين محددتين: إضافة جسيمات الإنديوم النانوية واستخدام الموجات الصوتية عالية التردد. لقد عملوا على قاعدة من لحام القصدير والبزموت وأدخلوا الإنديوم، وهو معدن لين، في شكل جزيئات دقيقة يبلغ قياس كل منها حوالي 300 نانومتر. ولمساعدة هذه الجسيمات على الامتزاج ولإجبار اللحام على الارتباط بشكل مثالي بسطح النيكل، طبقوا اهتزازًا فوق صوتي أثناء عملية التسخين. يخلق هذا الاهتزاز فقاعات مجهرية في المعدن المنصهر تنهار بقوة كبيرة، وتعمل مثل مطارق صغيرة تعمل على إزالة الأكاسد السطحية وتحريك الخليط. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا المزيج يمكن أن يعمل على تنقية بنية حبيبات المعدن، مما يجعله أقوى وأكثر موثوقية من اللحام القياسي المستخدم اليوم.

اختبر الباحثون كميات مختلفة من الإنديوم، تتراوح من أثر ضئيل إلى جرعة ثقيلة، للعثور على التوازن المثالي. واكتشفوا أن كمية الإنديوم المضافة كانت مهمة للغاية. فعندما أضافوا 0.1 في المائة فقط من الإنديوم بالوزن، تصرف اللحام بأفضل شكل. عند هذا المستوى، انتشر المعدن على سطح النيكل بزاوية تلامس بلغت 8.9 درجة فقط، مما يشير إلى ترطيب ممتاز، أو القدرة على الالتصاق والتدفق بسلاسة. في المقابل، أدت إضافة الكثير من الإنديوم، مثل 1.0 في المائة، إلى جعل اللحام سميكًا وبطيئًا، مما تسبب في تجمعه على شكل حبات وفشله في الانتشار بشكل صحيح. وأظهر التحليل الحراري أن هذه الكمية الصغيرة من الإنديوم ساعدت أيضًا في صهر المعدن بشكل أكثر تجانسًا، مما قلل من نطاق درجات الحرارة التي ينتقل خلالها من الحالة الصلبة إلى السائل. وهذا أمر بالغ الأهمية في التصنيع، لأنه يضمن تصرف اللحام بشكل يمكن التنبؤ به أثناء التجميع.

تحت المجهر، كان الفرق بين اللحام القياسي والمزيج المحسن صارخًا. احتوى لحام القصدير والبزموت العادي على كتل كبيرة وغير منتظمة من المواد الغنية بالبزموت تبدو مثل جزر خشنة في بحر من القصدير. وهذه الكتل الكبيرة هي نقاط ضعف تجعل الوصلة هشة. ومع ذلك، أظهر اللحام مع 0.1 في المائة من الإنديوم، المعالج بالموجات فوق الصوتية، تحولًا دراماتيكيًا. فقد تم تفتيت الكتل الكبيرة إلى حبيبات صغيرة موزعة بانتظام، بمتوسط حجم قدره 1.33. حدث هذا التنقية لأن جزيئات الإنديوم عملت كبذور لنمو بلوري جديد، بينما قامت موجات الصدمة فوق الصوتية بتحطيم الهياكل النامية جسديًا قبل أن تصبح كبيرة جدًا. وعندما أضاف الباحثون الكثير من الإنديوم، اختفى هذا التأثير المفيد؛ حيث أصبح المعدن لزجًا للغاية بحيث لا تستطيع الموجات فوق الصوتية تحريكه بفعالية، وعادت الهياكل الخشنة من جديد.

كانت قوة الوصلة هي الاختبار النهائي. سحب الباحثون القطع الملحومة بعيدًا عن بعضها البعض لقياس مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها. كانت الوصلة التي تحتوي على 0.1 في المائة من الإنديوم هي الأقوى، حيث صمدت أمام ضغط يصل إلى 33.61 ميجاباسكال قبل الكسر. وعندما فحصوا الأسطح المكسورة، رأوا نمطًا من الحفر العميقة والمستديرة، المعروفة باسم "النقرات"، والتي أشارت إلى أن المعدن قد تمدد وتشوه قبل الفشل — وهي علامة على المطيلية والمتانة. في المقابل، فشلت الوصلات التي تحتوي على الكثير من الإنديوم عند ضغوط أقل بكثير، حوالي 22.15 ميجاباسكال، وكانت الأسطح المكسورة مسطحة وناعمة، مما أظهر أن المعدن انكسر بشكل نظيف دون انحناء. وقد أكد هذا أن الكمية الصحيحة من الإنديوم حولت مادة هشة إلى مادة متينة، بينما جعل الكثير منها الأمر أسوأ.

كما درست الدراسة كيفية صمود هذه الوصلات بمرور الوقت تحت ظروف قاسية. أخضع الباحثون اللحام لتقلبات سريعة في درجات الحرارة، عبر دورات تتراوح بين -55 درجة مئوية و125 درجة مئوية لـ 400 دورة لمحاكاة سنوات من الاستخدام في يوم واحد. عانت وصلة اللحام القياسية بشكل كبير؛ حيث نمت طبقة المركب بين المعدني الذي يتشكل بين اللحام وركيزة النيكل بشكل سميك وغير منتظم، وتخشنت البنية المعدنية الداخلية، مما أدى إلى انخفاض القوة. ومع ذلك، ظلت الوصلة المثلى التي تحتوي على 0.1 في المائة من الإنديوم مستقرة بشكل ملحوظ. ظلت الطبقة بين المعدنية رقيقة ومنتظمة، ولم تتدهور البنية الداخلية كثيرًا. وهذا يشير إلى أن الجمع بين الإنديوم والاهتزاز فوق الصوتي يخلق اتصالًا أكثر متانة يقاوم التآكل الناتج عن الصدمات الحرارية.

في النهاية، تظهر الأبحاث أن إضافة دقيقة وصغيرة من الإنديوم، مقترنة بالمساعدة فوق الصوتية، يمكن أن تحسن بشكل كبير أداء اللحام منخفض الحرارة. ويكمن المفتاح في إيجاد "النقطة المثالية" حيث تعمل المادة المضافة على تنقية بنية المعدن دون جعله سميكًا جدًا لدرجة تعيق معالجته. ومن خلال تحقيق حجم حبيبات يبلغ 1.33 وقوة قص تبلغ 33.61 ميجاباسكال، حدد الباحثون مسارًا نحو تجميعات إلكترونية أكثر موثوقية. ولا يقدم هذا العمل تحسينًا نظريًا فحسب، بل يوفر طريقة ملموسة لتصنيع وصلات لحام أقل عرضة للتشقق تحت الإجهاد، مما يضمن بقاء الأجهزة المتناقصة في الحجم متصلة وتعمل لفترة أطول.