From Bulk Copper Samples to Functional DCB Test Boards: Process Transfer and Joint Characterization of Pressure-Less Nano-Silver Sintering
यह अध्ययन बल्क कॉपर नमूनों से कार्यात्मक DCB टेस्ट बोर्ड तक एक प्रेशर-लेस नैनो-सिल्वर सिंटरिंग प्रक्रिया के सफल हस्तांतरण को प्रदर्शित करता है, जो Cu-cube/DCB कॉन्फ़िगरेशन को उन जोड़ों के लक्षण वर्णन के लिए एक उपयुक्त मंच के रूप में मान्य करता है जो कम विद्युत प्रतिरोध और 70–80 MPa की शियर स्ट्रेंथ प्रदर्शित करते हैं।
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आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स छोटे, तेज़ और अधिक गर्म होते जा रहे हैं। एक कार या पावर ग्रिड के हृदय में, सूक्ष्म कंप्यूटर चिप्स को ऐसे तापमान पर काम करने के लिए मजबूर किया जा रहा है जो उन्हें जोड़ने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों को पिघला या कमजोर कर सकता है। दशकों से, इंजीनियरों ने इन घटकों को अपनी जगह पर चिपकाए रखने के लिए एक प्रकार के धातु पेस्ट पर भरोसा किया है, जो इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले सोल्डर (solder) के समान है। लेकिन जैसे-जैसे उपकरण अधिक गर्म होते हैं, वह पुराना गोंद विफल होने लगता है, बार-बार गर्म होने और ठंडा होने के तनाव के कारण उसमें दरारें आने लगती हैं। तालमेल बिठाने के लिए, वैज्ञानिक सामग्री को जोड़ने का एक नया तरीका खोज रहे हैं जो बिना टूटे गर्मी को झेल सके। इसका उत्तर चांदी (silver) में निहित है, जो एक ऐसी धातु है जो लगभग किसी भी अन्य चीज़ की तुलना में बिजली और गर्मी का बेहतर संचालन करने के लिए जानी जाती है। हालाँकि, चांदी को सीधे पिघलाना एक विकल्प नहीं है क्योंकि यह तापमान बहुत अधिक होता है जिस पर नाजुक इलेक्ट्रॉनिक्स पिघल सकते हैं। इसके बजाय, शोधकर्ता 'सिंटरिंग' (sintering) नामक एक प्रक्रिया का उपयोग करते हैं, जहाँ चांदी के सूक्ष्म कणों को गर्मी के साथ एक साथ दबाया जाता है जब तक कि वे एक ठोस, निरंतर धातु की परत में विलीन न हो जाएं। चुनौती यह रही है कि इसके लिए आमतौर पर भारी मशीनरी की आवश्यकता होती है जो संवेदनशील घटकों को कुचल सकती है। एक नया दृष्टिकोण एक विशेष पेस्ट का उपयोग करता है जिसमें एक रासायनिक प्रिकर्सर (precursor) होता है जो जोड़ के ठीक अंदर चांदी के कणों में बदल जाता है, जिससे धातु बिना किसी बाहरी दबाव के जुड़ सकती है।
इस अध्ययन के पीछे के शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए प्रयास किया कि क्या यह दबाव-मुक्त चांदी बॉन्डिंग विधि, जो सरल प्रयोगशाला परीक्षणों में अच्छी तरह से काम कर चुकी थी, को एक अधिक वास्तविक सेटअप में सफलतापूर्वक स्थानांतरित किया जा सकता है जो वास्तविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की नकल करता हो। उन्होंने एक बुनियादी विचार से शुरुआत की: तांबे के एक छोटे घन (cube) को लें और इस विशेष चांदी के पेस्ट का उपयोग करके इसे एक विशिष्ट सर्किट बोर्ड पर चिपका दें, फिर धातु को फ्यूज होने देने के लिए इसे गर्म करें। लक्ष्य यह सिद्ध करना था कि यह विधि एक ऐसी बोर्ड पर एक मजबूत, विद्युत रूप से सुचालक कनेक्शन बना सकती है जो वास्तविक दुनिया के पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिसमें उन भारी प्रेस की आवश्यकता नहीं है जो निर्माण प्रक्रिया को जटिल बनाते हैं। उन्होंने एक विशिष्ट परीक्षण संरचना बनाई जहाँ एक तांबे का घन एक सिरेमिक-आधारित बोर्ड पर स्थित था, यह डिज़ाइन इसलिए चुना गया क्योंकि इसने उन्हें बिजली के प्रवाह को मापने, सूक्ष्मदर्शी के नीचे धातु को देखने और भौतिक रूप से यह परीक्षण करने की अनुमति दी कि बंधन कितना मजबूत था।
टीम ने तांबे के घन और बोर्ड के बीच चांदी के पेस्ट की एक पतली परत लगाई, फिर असेंबली को फर्नेस (भट्टी) में 250 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया। उन्होंने इसे एक घंटे के लिए उस तापमान पर बनाए रखा, जिससे रासायनिक प्रिकर्सर टूट गया और सूक्ष्म चांदी के कणों को मुक्त किया जिन्होंने दोनों तांबे की सतहों को आपस में जोड़ दिया। ठंडा होने के बाद, उन्होंने परिणाम का परीक्षण किया। विद्युत परीक्षणों ने दिखाया कि कनेक्शन उत्कृष्ट था, जिसमें बिजली बहुत कम प्रतिरोध के साथ जोड़ से प्रवाहित हुई, जिससे यह सिद्ध हुआ कि धातु एक ठोस पथ में विलीन हो गई है। जब उन्होंने सूक्ष्मदर्शी के नीचे जोड़ को देखा, तो उन्होंने तांबे के घन और बोर्ड के बीच फैली चांदी की एक निरंतर परत देखी। हालाँकि, दृश्य पूरी तरह से एकसमान नहीं था। जोड़ का केंद्र घना और ठोस दिखाई दिया, लेकिन किनारों पर एक अधिक छिद्रपूर्ण, स्पंज जैसी संरचना दिखी जिसमें छोटे-छोटे छेद बिखरे हुए थे। यह असमानता एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष था, जो यह दर्शाता है कि हालांकि बंधन हर जगह बना, लेकिन धातु के नेटवर्क की गुणवत्ता इस बात पर निर्भर करती थी कि आप कहाँ देख रहे हैं।
यह देखने के लिए कि बंधन वास्तव में कितना मजबूत था, शोधकर्ताओं ने एक 'शीयर टेस्ट' (shear test) किया, जिसमें तांबे के घन को बगल की ओर धकेला गया जब तक कि वह टूट न गया। जोड़ उल्लेखनीय रूप से मजबूत रहे, जिनमें से अधिकांश नमूनों को टूटने के लिए 70 से 80 मेगापास्कल के बराबर बल की आवश्यकता थी। यह एक मजबूत यांत्रिक कनेक्शन है, जो विश्वसनीय इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग के लिए आवश्यक मजबूती के तुल्य है। जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे टूटे हुए टुकड़ों का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि विफलता उस सतह पर नहीं हुई जहाँ चांदी तांबे को छूती है। इसके बजाय, टूट-फूट चांदी की परत के माध्यम से ही हुई, जिससे घन और बोर्ड दोनों पर बिखरे हुए छिद्रपूर्ण चांदी के अंश रह गए। इससे उन्हें पता चला कि चांदी तांबे के साथ इतनी अच्छी तरह से जुड़ गई थी कि धातु की परत स्वयं सबसे कमजोर कड़ी थी, न कि सतह को पकड़ने वाला गोंद।
यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह दबाव-मुक्त चांदी बॉन्डिंग तकनीक सरल लैब नमूनों से जटिल, कार्यात्मक सर्किट बोर्डों तक जा सकती है। तांबे के घन और बोर्ड का सेटअप इन जोड़ों का परीक्षण करने का एक विश्वसनीय तरीका साबित हुआ, जिसने दिखाया कि वे बिजली का अच्छा संचालन करते हैं और महत्वपूर्ण तनाव के तहत भी जुड़े रहते हैं। हालांकि जोड़ के भीतर धातु की परत पूरी तरह से एकसमान नहीं है, जिसमें कुछ क्षेत्र अन्य क्षेत्रों की तुलना में अधिक छिद्रपूर्ण हैं, फिर भी समग्र कनेक्शन व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि भारी दबाव की आवश्यकता के बिना उच्च गुणवत्ता वाले इलेक्ट्रॉनिक जोड़ बनाना संभव है, जो आधुनिक पावर सिस्टम की अत्यधिक गर्मी को सहने वाले अधिक टिकाऊ इलेक्ट्रॉनिक्स के द्वार खोलता है। भविष्य का कार्य यह देखने पर केंद्रित होगा कि ये जोड़ वर्षों के उपयोग के दौरान कैसे टिकते हैं, लेकिन प्रारंभिक परिणाम अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग के लिए एक आशाजनक मार्ग का सुझाव देते हैं।
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