Low-temperature sintering and thermal-aging reliability of nano-silver joints on cyanate ester composite substrates

لم تعد الطائرات الحديثة مجرد أنابيب من المعدن والقماش تحمل محركات، بل أصبحت تتحول إلى حواسيب طائرة. حيث يعمل المهندسون بشكل متزايد على دمج رقائق إلكترونية قوية مباشرة في الهياكل البنيوية للطائرات، وهو مفهوم يُعرف باسم التكامل الوظيفي البنيوي. يساهم هذا النهج في التخلص من الصناديق الثقيلة والضخمة التي عادة ما تضم الإلكترونيات، مما يوفر الوزن والمساحة. ومع ذلك، فإن تثبيت هذه الرقائق الحساسة على المواد المركبة خفيفة الوزن والمقاومة للحرارة المستخدمة في هياكل الطائرات يمثل لغزاً صعباً. إذ يجب أن يصمد الغراء أو اللحام المستخدم لتثبيت الرقاقة بالجناح أو جسم الطائرة أمام الحرارة الشديدة، وأن يحمل تيارات كهربائية هائلة، وأن يظل قوياً بما يكفي لتماسك الطائرة معاً، دون إتلاف المادة المركبة الدقيقة المتصل بها.

لعقود من الزمن، كانت الطريقة القياسية لتثبيت هذه الرقائق تتضمن أسطحاً معدنية أو بلاطات سيراميك خاصة، لكن الجيل الجديد من الطائرات يستخدم مركبات بوليمر متطورة لا يمكن طلاؤها بالمعدن بسهولة. وقد سعى الباحثون طويلاً لإيجاد طريقة لربط الرقائق مباشرة بهذه الأسطح غير المعدنية باستخدام مادة يمكنها تحمل درجات الحرارة العالية للإلكترونيات الحديثة. وتبرز الفضة، في شكل جزيئات مجهرية، كحل واعد لأنها توصل الكهرباء والحرارة بشكل استثنائي ويمكن صهرها معاً عند درجات حرارة أقل من اللحام التقليدي. ومع ذلك، ظل من غير الواضح ما إذا كان بإمكان هذه الفضة أن تشكل رابطاً قوياً ودائماً مباشرة على السطح الخشن غير المعدني لمركب "سيانات الإستر" (cyanate ester)، وهو مادة تحظى بتقدير كبير في مجال الطيران نظراً لاستقرارها وخفة وزنها، وذلك دون الاستعانة بطبقة معدنية.

قام فريق من الباحثين في جامعة بهيغانغ والمعاهد ذات الصلة في الصين بحل هذه المشكلة تحديداً. فقد أخذوا كتلًا صغيرة من النحاس، مغلفة بطبقة رقيقة من الفضة لمحاكاة رقاقة طاقة حقيقية، وثبتوها مباشرة على مربعات من مركب "سيانات الإستر" المعزز بألياف الكوارتز. وبدلاً من استخدام غراء كيميائي، طبقوا معجوناً مكوناً من جزيئات فضة دقيقة وسخّنوه تحت الضغط. كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت جزيئات الفضة ستنصهر معاً بما يكفي لتشكيل جسر صلب، وفي الوقت نفسه، هل ستتمكن من التداخل في النتوءات والوديان الصغيرة لسطح المادة المركبة، مما يخلق تماسكاً ميكانيكياً يشبه "الفيلكرو" ولكن على مقياس مجهري.

تطلبت العملية تحكماً دقيقاً في الحرارة والضغط. فقد سخن الباحثون معجون الفضة إلى 200 درجة مئوية، وهي درجة حرارة عالية بما يكفي لصهر جزيئات الفضة ولكنها منخفضة بما يكفي لتجنب حرق المادة المركبة. كما طبقوا كميات متفاوتة من الضغط، تراوحت بين 5 إلى 20 ميجاباسكال، لضغط الجزيئات معاً. ومع ارتفاع الحرارة، تبخرت المذيبات العضوية في المعجون، مما سمح لجزيئات الفضة بالتلامس والاندماج عند نقاط اتصالها. وتحت تأثير الضغط، أعادت هذه الجزيئات ترتيب نفسها، وملأت الفجوات وشكلت طبقة معدنية كثيفة ومستمرة. ووجد الفريق أن الفضة لم تكتفِ بالاستقرار فوق المادة المركبة فحسب، بل تدفقت داخل الخشونة المجهرية للسطح، مما خلق تشابكاً فيزيائياً أمسك المادتين معاً.

كانت نتائج هذا الربط المباشر قوية بشكل مفاجئ. فعندما اختبر الباحثون مقدار القوة اللازمة لإزاحة الرقاقة عن المادة المركبة، صمدت أقوى الوصلات أمام قوة قص تصل إلى 11.5 ميجاباسكال. وقد تحقق هذا الأداء الذروي عندما تم صهر الفضة عند ضغط قدره 15 ميجاباسكال لمدة 15 دقيقة. ومن المثير للاهتمام أن تطبيق ضغط زائد، مثل 20 ميجاباسكال، أدى في الواقع إلى إضعاف الرابطة قليلاً، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أن القوة المفرطة بدأت في إتلاف المادة المركبة الأساسية نفسها. كما كانت طبقة الفضة المتكونة عالية الكفاءة، حيث انخفضت مقاومتها الكهربائية بشكل كبير مع زيادة الضغط، مما يشير إلى أن الجزيئات قد تجمعت معاً بإحكام لتشكيل مسارات ممتازة للكهرباء.

ولضمان قدرة هذه التقنية على الصمود في بيئة الطائرات القاسية، أخضع الفريق الوصلات المربوطة لاختبار التقادم في درجات الحرارة العالية. فقد وضعوا العينات في فرن عند درجة حرارة 220 درجة مئوية لمدة تصل إلى 1,000 ساعة لمحاكاة سنوات من التشغيل. وبعد 600 ساعة، ظلت الوصلات قوية بشكل ملحوظ، حيث احتفظت بنحو 81 بالمئة من قوتها الأصلية. صمدت طبقة الفضة نفسها بشكل جيد، لكن الباحثين لاحظوا أن المادة المركبة الموجودة تحتها بدأت تظهر علامات الإجهاد، مع ظهور شقوق صغيرة في الراتنج الذي يربط الألياف معاً. وبحلول الساعة 1,000، عانت المادة المركبة من تدهور كبير، بما في ذلك انفصال الألياف عن مصفوفة الراتنج، مما أدى في النهاية إلى إضعاف الوصلة.

تخلص الدراسة إلى أنه من الممكن تماماً ربط رقائق الطاقة مباشرة بالأسطح المركبة غير المعدنية باستخدام صهر النانو-فضة، مما يخلق اتصالاً قوياً وناقلاً للكهرباء ومستقراً حرارياً. إن الآلية الأساسية لهذا الرابط ليست تفاعلاً كيميائياً بين الفضة والبلاستيك، بل هي تشابك ميكانيكي حيث تملأ الفضة نسيج سطح المادة المركبة. وبينما تُعد وصلة الفضة متينة، فإن الموثوقية طويلة الأمد للنظام بأكمله محدودة بالاستقرار الحراري للمادة المركبة نفسها. فبمجرد أن تبدأ المادة المركبة في التدهور تحت الحرارة الشديدة، تضعف الرابطة، بغض النظر عن مدى تماسك الفضة. وتوفر هذه النتيجة مساراً واضحاً للمضي قدماً في دمج الإلكترونيات في الجيل القادم من هياكل الطائرات خفيفة الوزن وعالية الأداء، بشرط أن تتحمل المواد المستخدمة في هيكل الطائرة الحرارة الناتجة عن الإلكترونيات التي تحملها.