Influence of the high-melting-point solder addition on the thermo-mechanical reliability of solderable anisotropic polymer composites containing low- melting-point solder
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कम-गलनांक वाले सोल्डर-आधारित एनिसोट्रोपिक पॉलीमर कंपोजिट में उच्च-गलनांक वाले सोल्डर को शामिल करने से प्रारंभिक बॉन्डिंग को मजबूत करके, सूक्ष्म संरचनात्मक मोटा होने (कोर्सनिंग) को दबाकर और इंटरमेटालिक कंपाउंड के विकास को धीमा करके थर्मल शॉक परीक्षण के दौरान उनकी थर्मो-मैकेनिकल विश्वसनीयता में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की अदृश्य दुनिया में, सूक्ष्म जुड़ाव ही सब कुछ थामे रखते हैं। एक स्मार्टफोन या कंप्यूटर के भीतर, माइक्रोचिप से निकलने वाले नाजुक धातु के लीड्स को सर्किट बोर्ड से मजबूती से जोड़ा जाना चाहिए ताकि वे बिजली और डेटा ले जा सकें। ये कनेक्शन विशेष पेस्ट का उपयोग करके बनाए जाते हैं जो जोड़ों में सख्त हो जाते हैं। हालाँकि, इन उपकरणों में उपयोग की जाने वाली सामग्रियां तापमान बदलने पर अलग-अलग दरों पर फैलती और सिकुड़ती हैं। जब कोई उपकरण जमा देने वाली ठंड और झुलसा देने वाली गर्मी के बीच चक्रों से गुजरता है, तो ये बेमेल हलचलें तनाव पैदा करती हैं, ठीक वैसे ही जैसे गर्मियों के सूरज में एक पुल फैलता है और सर्दियों में सिकुड़ जाता है। समय के साथ, यह बार-बार खिंचाव और दबाव इन सूक्ष्म जोड़ों में दरारें डाल सकता है, उन्हें अलग कर सकता है, या बिजली संचालित करने की उनकी क्षमता को कम कर सकता है, जिससे उपकरण विफल हो जाता है। इंजीनियर लंबे समय से एक ऐसा तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं जिससे इन जोड़ों को बिना टूटे ऐसी कठोर परिस्थितियों में जीवित रहने के लिए पर्याप्त मजबूत बनाया जा सके।
दक्षिण कोरिया के चुंग-आंग विश्वविद्यालय और कांग्वोन नेशनल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने बॉन्डिंग पेस्ट में दो अलग-अलग प्रकार के धातु कणों को मिलाकर इन कनेक्शनों को मजबूत करने का एक नया तरीका खोजा है। उन्होंने एक सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'सोल्डर योग्य एनिसोट्रोपिक पॉलीमर कंपोजिट' कहा जाता है, जो गोंद और एक विद्युत सेतु (ब्रिज) दोनों के रूप में कार्य करता है। इसकी स्थायित्व का परीक्षण करने के लिए, उन्होंने इस सामग्री के दो संस्करण बनाए: एक जो केवल कम-गलनांक वाले धातु कणों से बना था, और दूसरा जिसमें बहुत उच्च गलनांक वाला दूसरा प्रकार का धातु मिलाया गया था। फिर उन्होंने दोनों संस्करणों को एक कठोर परीक्षण के अधीन किया, जिसमें उन्हें माइनस 55 डिग्री सेल्सियस से 125 डिग्री सेल्सियस के बीच एक हजार बार चक्रित किया गया। यह अत्यधिक थर्मल शॉक उस सबसे कठिन वातावरण की नकल करता है जिसका सामना कोई इलेक्ट्रॉनिक उपकरण कर सकता है। अध्ययन में पाया गया कि दोनों प्रकार के धातु कणों वाले मिश्रण ने केवल कम-गलनांक वाले धातु वाले संस्करण की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन किया, जो अधिक विश्वसनीय इलेक्ट्रॉनिक्स की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करता है।
प्रयोग के मुख्य भाग में एक छोटे चिप पैकेज और एक सर्किट बोर्ड का उपयोग करके सूक्ष्म परीक्षण जोड़ बनाना शामिल था। शोधकर्ताओं ने अपने कस्टम पेस्ट को लगाया और उन्हें धातु के कणों को पिघलाने के लिए गर्म किया, जिससे उन्हें धातु के लीड्स के साथ बहने और जुड़ने का अवसर मिला। पहले संस्करण में, पेस्ट में केवल टिन और बिस्मथ कण थे, जो अपेक्षाकृत कम तापमान पर पिघलते हैं। दूसरे संस्करण में, उन्होंने टिन, सिल्वर और कॉपर के समान मात्रा में कण जोड़े, जिन्हें पिघलने के लिए बहुत अधिक गर्मी की आवश्यकता होती है। जैसे ही पेस्ट ठंडा होकर सख्त हुआ, धातु के कण बिजली के प्रवाह के लिए ठोस मार्ग बनाने लगे, जबकि आसपास का पॉलीमर एक सुरक्षात्मक कवच के रूप में कार्य करता रहा। शोधकर्ताओं ने इन असेंबली को एक चैंबर में रखा जो तेजी से अत्यधिक ठंड और गर्मी के बीच झूलता था, जो कुछ ही दिनों में वर्षों के घिसावट का अनुकरण करता था।
थर्मल शॉक के इन एक हजार चक्रों के दौरान, दोनों प्रकार के जोड़ों ने एक स्थिर विद्युत कनेक्शन बनाए रखा, और उनमें प्रतिरोध के उन उछालों के कोई संकेत नहीं मिले जो आमतौर पर एक विफल होते लिंक का संकेत देते हैं। इस स्थिरता ने सिद्ध किया कि धातु के मार्ग बरकरार रहे, भले ही सामग्रियां हिंसक रूप से फैल और सिकुड़ रही थीं। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण किया कि चिप को बोर्ड से भौतिक रूप से खींचने के लिए कितने बल की आवश्यकता थी, तो एक स्पष्ट अंतर सामने आया। परीक्षण शुरू होने से पहले, मिश्रित धातु कणों से बने जोड़ एकल धातु प्रकार वाले जोड़ों की तुलना में लगभग तैंतीस प्रतिशत अधिक मजबूत थे। भीषण थर्मल साइकलिंग के बाद भी, मिश्रित-धातु वाले जोड़ों ने बेहतर प्रदर्शन किया, और एक ऐसी खींचने की शक्ति बनाए रखी जो अन्यों की तुलना में लगभग सैंतालीस प्रतिशत अधिक थी। उच्च-गलनांक वाले धातु कणों के जुड़ने से एक अधिक मजबूत और लचीला बंधन बन गया जिसने तापमान परिवर्तन के कारण होने वाली थकान का विरोध किया।
यह समझने के लिए कि मिश्रित-धातु वाले जोड़ इतने मजबूत क्यों थे, शोधकर्ताओं ने बंधनों की सूक्ष्म संरचना का बारीकी से निरीक्षण किया। केवल कम-गलनांक वाले धातु से बने जोड़ों में, आंतरिक संरचना विभिन्न धातुओं की वैकल्पिक परतों से बनी थी, जो तापमान चक्र के साथ बड़ी और मोटी होती गई। यह मोटा होना, और जहाँ धातु कॉपर इलेक्ट्रोड से मिलती है वहाँ एक भंगुर (ब्रिटल) परत के तेजी से विकास के साथ मिलकर, समय के साथ जोड़ को कमजोर बना देता है। इसके विपरीत, मिश्रित धातुओं वाले जोड़ों ने एक अलग आंतरिक परिदृश्य विकसित किया। दूसरे प्रकार की धातु की उपस्थिति ने पूरे बंधन में छोटे, कठोर कणों को बनने और समान रूप से फैलने का कारण बनाया। ये कण सुदृढीकरण (रिनफोर्समेंट) की तरह कार्य करते हैं, जो धातु की परतों को बहुत बड़ा होने से रोकते हैं और भंगुर इंटरफेस परत को चपटा होकर कमजोर बिंदु बनने से रोकते हैं।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि मिश्रित-धातु वाले जोड़ सोल्डर और इलेक्ट्रोड के बीच एक विशिष्ट भंगुर पदार्थ के संचय का विरोध करते हैं। एकल-धातु वाले जोड़ों में, जैसे-जैसे परीक्षण आगे बढ़ा, यह पदार्थ महत्वपूर्ण रूप से जमा होता गया, जिससे एक कमजोर स्थान बन गया जहाँ से दरारें आसानी से शुरू हो सकती थीं। मिश्रित-धातु फॉर्मूलेशन ने इस जमाव को रोका, जिससे कनेक्शन इंटरफेस अधिक स्वच्छ और मजबूत बना रहा। जब शोधकर्ताओं ने परीक्षण के बाद जोड़ों को अलग किया, तो एकल-धातु वाले जोड़ इन कमजोर इंटरफेस के साथ भंगुर तरीके से टूट गए, जबकि मिश्रित-धातु वाले जोड़ों ने टूटने का एक अधिक कठिन और जटिल पैटर्न दिखाया, जो यह दर्शाता कि बंधन मजबूती से टिका हुआ था। परिणाम बताते हैं कि धातु फिलर्स को सावधानीपूर्वक चुनकर और मिलाकर, इंजीनियर ऐसे इलेक्ट्रॉनिक जोड़ बना सकते हैं जो न केवल बिजली का अच्छा संचालन करते हैं, बल्कि वास्तविक दुनिया के अत्यधिक भौतिक तनावों में भी जीवित रहते हैं, जिससे उपभोक्ता गैजेट्स से लेकर महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे तक की उम्र बढ़ सकती है।
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