Synergistic effects of In nanoparticle doping and ultrasonic assistance on the interfacial microstructure and reliability of Sn58Bi/Ni solder joints
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 0.1 wt% In नैनोकण डोपिंग को अल्ट्रासोनिक-सहायता प्राप्त सोल्डरिंग के साथ सहक्रियात्मक रूप से संयोजित करने से अनाज को परिष्कृत करके, एक सघन Ni₃(Sn,In)₄ इंटरफेशियल परत बनाकर, और 33.61 MPa की शिखर कर्तन शक्ति (शीयर स्ट्रेंथ) प्राप्त करके Sn58Bi/Ni जोड़ों की गीलापन (वेटेबिलिटी), सूक्ष्म संरचना और यांत्रिक विश्वसनीयता को अनुकूलित किया जाता है, जबकि अत्यधिक In सामग्री इन गुणों को खराब करती है।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, उपकरण आकार में छोटे होते जा रहे हैं जबकि वे अधिक शक्तिशाली भी हो रहे हैं, एक ऐसा रुझान जो सूक्ष्म घटकों को जोड़ने के नए तरीकों की मांग करता है। सबसे महत्वपूर्ण कनेक्शनों में से एक सोल्डर जॉइंट (solder joint) है, जो धातु का एक छोटा सा पुल है जो चिप्स को सर्किट बोर्ड से जोड़कर रखता है। दशकों से, इंजीनियरों ने लेड-आधारित (सीसा युक्त) सोल्डर पर भरोसा किया है, लेकिन पर्यावरणीय चिंताओं ने उद्योग को लेड-मुक्त विकल्पों की ओर धकेल दिया है। इनमें से, टिन और बिस्मुथ का एक मिश्रण, जिसे Sn58Bi के रूप में जाना जाता है, इसलिए विशिष्ट है क्योंकि यह कम तापमान पर पिघलता है, जिससे यह नाजुक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सौम्य रहता है। हालांकि, इस सामग्री में एक बड़ी खामी है: यह स्वाभाविक रूप से भंगुर (brittle) है। चाक के एक टुकड़े की तरह, तनाव या तापमान परिवर्तन के संपर्क में आने पर यह मुड़ने के बजाय टूटने की प्रवृत्ति रखता है, जिससे इलेक्ट्रॉनिक उपकरण समय से पहले विफल हो सकते हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक धातु को मजबूत करने के तरीके खोजते हैं बिना इसके कम-पिघलने वाले लाभ को खोए, अक्सर सूक्ष्म कणों को जोड़कर या धातु की आंतरिक संरचना को पुनर्गठित करने के लिए भौतिक बलों का उपयोग करके।
श्यामेन यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी और चाइना एकेडमी ऑफ मशीनरी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने दो विशिष्ट तकनीकों को मिलाकर इस भंगुरता की समस्या को हल करने का प्रयास किया: इंडियम नैनोकणों को जोड़ना और उच्च-आवृत्ति वाली ध्वनि तरंगों का उपयोग करना। उन्होंने टिन-बिस्मथ सोल्डर के आधार पर काम किया और इंडियम, जो एक नरम धातु है, को लगभग 300 नैनोमीटर के सूक्ष्म कणों के रूप में पेश किया। इन कणों को मिलाने में मदद करने और सोल्डर को निकल (nickel) की सतह से पूरी तरह से जुड़ने के लिए मजबूर करने के लिए, उन्होंने हीटिंग प्रक्रिया के दौरान अल्ट्रासोनिक कंपन का प्रयोग किया। यह कंपन पिघली हुई धातु में सूक्ष्म बुलबुले पैदा करता है जो अत्यधिक बल के साथ फूटते हैं, जो सतह के ऑक्साइड को हटाने और मिश्रण को मिलाने के लिए छोटे हथौड़ों की तरह कार्य करते हैं। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह संयोजन धातु की ग्रेन संरचना (grain structure) को परिष्कृत कर सकता है, जिससे यह आज के मानक सोल्डर की तुलना में अधिक मजबूत और विश्वसनीय बन सके।
शोधकर्ताओं ने इंडियम की सही मात्रा खोजने के लिए सूक्ष्म मात्रा से लेकर भारी खुराक तक विभिन्न मात्राओं का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि जोड़े गए इंडियम की मात्रा अत्यंत महत्वपूर्ण थी। जब उन्होंने वजन के अनुसार केवल 0.1 प्रतिशत इंडियम मिलाया, तो सोल्डर ने सबसे अच्छा व्यवहार किया। इस स्तर पर, धातु निकल की सतह पर केवल 8.9 डिग्री के संपर्क कोण (contact angle) के साथ फैली, जो उत्कृष्ट वेटिंग (wetting), यानी चिपकने और सुचारू रूप से बहने की क्षमता को दर्शाता है। इसके विपरीत, 1.0 प्रतिशत जैसे बहुत अधिक इंडियम मिलाने से सोल्डर गाढ़ा और सुस्त हो गया, जिससे वह मोतियों की तरह इकट्ठा होने लगा और ठीक से फैलने में विफल रहा। ऊष्मा विश्लेषण ने दिखाया कि इंडियम की इतनी छोटी मात्रा ने धातु को अधिक समान रूप से पिघलने में भी मदद की, जिससे ठोस से तरल में बदलने की तापमान सीमा कम हो गई। यह विनिर्माण के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह सुनिश्चित करता है कि असेंबली के दौरान सोल्डर अनुमानित व्यवहार करे।
माइक्रोस्कोप के नीचे, मानक सोल्डर और अनुकूलित मिश्रण के बीच का अंतर आश्चर्यजनक था। साधारण टिन-बिस्मथ सोल्डर में बिस्मुथ-समृद्ध सामग्री के बड़े, अनियमित टुकड़े थे जो टिन के समुद्र में खुरदरे द्वीपों की तरह दिखते थे। ये बड़े टुकड़े कमजोर बिंदु हैं जो जोड़ को भंगुर बनाते हैं। हालांकि, 0.1 प्रतिशत इंडियम वाले सोल्डर ने, जिसे अल्ट्रासाउंड से उपचारित किया गया था, एक नाटकीय परिवर्तन दिखाया। बड़े टुकड़ों को छोटे, समान रूप से वितरित दानों (grains) में तोड़ दिया गया था, जिसका औसत आकार केवल 1.33 था। यह परिशोधन इसलिए हुआ क्योंकि इंडियम कणों ने नए क्रिस्टल विकास के लिए बीजों के रूप में कार्य किया, जबकि अल्ट्रासोनिक शॉकवेव्स ने बढ़ती संरचनाओं को बहुत बड़ा होने से पहले शारीरिक रूप से तोड़ दिया। जब शोधकर्ताओं ने बहुत अधिक इंडियम मिलाया, तो यह लाभकारी प्रभाव समाप्त हो गया; धातु इतनी चिपचिपी हो गई कि ध्वनि तरंगें प्रभावी ढंग से मिश्रण नहीं कर सकीं, और खुरदरी संरचनाएं वापस आ गईं।
जोड़ की मजबूती अंतिम परीक्षण था। शोधकर्ताओं ने जुड़े हुए टुकड़ों को अलग करने के लिए उन्हें खींचा ताकि यह मापा जा सके कि वे कितना बल सहन कर सकते हैं। 0.1 प्रतिशत इंडियम वाला जोड़ सबसे मजबूत था, जो टूटने से पहले 33.61 मेगापास्कल के दबाव तक झेल सका। जब उन्होंने टूटी हुई सतहों का निरीक्षण किया, तो उन्हें गहरे, गोल गड्ढे दिखाई दिए, जिन्हें डिंपल्स (dimples) कहा जाता है, जो यह संकेत देते थे कि धातु टूटने से पहले खिंची और विकृत हुई थी—जो लचीलेपन और कठोरता का संकेत है। इसके विपरीत, बहुत अधिक इंडियम वाले जोड़ बहुत कम दबाव, लगभग 22.15 मेगापास्कल पर विफल हो गए, और उनकी टूटी हुई सतहें सपाट और चिकनी थीं, जो दर्शाती थीं कि धातु बिना मुड़े सीधे टूट गई। इसने पुष्टि की कि सही मात्रा में इंडियम ने एक भंगुर सामग्री को एक मजबूत सामग्री में बदल दिया, जबकि बहुत अधिक मात्रा ने इसे और खराब कर दिया।
अध्ययन ने यह भी देखा कि ये जोड़ कठोर परिस्थितियों में समय के साथ कैसे टिकते हैं। शोधकर्ताओं ने वर्षों के उपयोग का अनुकरण करने के लिए सोल्डर को -55 डिग्री सेल्सियस और 125 डिग्री सेल्सियस के बीच तेजी से तापमान परिवर्तन, यानी 400 चक्रों के अधीन किया। मानक सोल्डर जोड़ काफी प्रभावित हुआ; इंटरमेटालिक कंपाउंड (intermetallic compound) की परत, जो निकल सबस्ट्रेट के बीच बनती है, मोटी और असमान हो गई, और आंतरिक धातु संरचना खुरदरी हो गई, जिससे मजबूती में गिरावट आई। हालांकि, 0.1 प्रतिशत इंडियम वाले अनुकूलित जोड़ उल्लेखनीय रूप से स्थिर रहा। इंटरमेटालिक परत पतली और समान रही, और आंतरिक संरचना उतनी खराब नहीं हुई। यह सुझाव देता है कि इंडियम और अल्ट्रासोनिक कंपन का संयोजन एक अधिक टिकाऊ कनेक्शन बनाता है जो थर्मल शॉक (तापमान के झटके) के प्रभाव का प्रतिरोध करता है।
अंततः, यह शोध प्रदर्शित करता है कि अल्ट्रासोनिक सहायता के साथ इंडियम का सटीक, छोटा सा समावेश, निम्न-तापमान वाले सोल्डर के प्रदर्शन में काफी सुधार कर सकता है। इसकी कुंजी उस 'स्वीट स्पॉट' को खोजने में है जहाँ एडिटिव धातु की संरचना को परिष्कृत करता है बिना उसे प्रसंस्करण के लिए बहुत गाढ़ा बनाए। 1.33 के ग्रेन साइज और 33.61 मेगापास्कल की शियर स्ट्रेंथ (shear strength) प्राप्त करके, शोधकर्ताओं ने अधिक विश्वसनीय इलेक्ट्रॉनिक असेंबली के लिए एक मार्ग की पहचान की है। यह कार्य केवल एक सैद्धांतिक सुधार नहीं है; यह ऐसे सोल्डर जोड़ों के निर्माण के लिए एक ठोस तरीका प्रदान करता है जो तनाव के तहत फटने की कम संभावना रखते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि भविष्य के छोटे होते उपकरण लंबे समय तक जुड़े और कार्यात्मक रहें।
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