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

आधुनिक विमान अब केवल इंजन ले जाने वाले धातु और कपड़े के ट्यूब नहीं रह गए हैं; वे उड़ते हुए कंप्यूटर बनते जा रहे हैं। इंजीनियर तेजी से विमानों की संरचनात्मक खाल (स्ट्रक्चरल स्किन) में शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक चिप्स को सीधे समाहित कर रहे हैं, जिसे 'स्ट्रक्चरल-फंक्शनल इंटीग्रेशन' के रूप में जाना जाता है। यह दृष्टिकोण उन भारी, बड़े बक्सों को हटा देता है जो आमतौर पर इलेक्ट्रॉनिक्स को रखते हैं, जिससे वजन और स्थान की बचत होती है। हालांकि, इन संवेदनशील चिप्स को विमान के ढांचे में उपयोग किए जाने वाले हल्के, गर्मी-प्रतिरोधी कंपोजिट सामग्रियों से जोड़ना एक कठिन पहेली पेश करता है। चिप को पंख या फ्यूजलेज से चिपकाने के लिए इस्तेमाल होने वाला गोंद या सोल्डर को अत्यधिक गर्मी झेलना होगा, भारी विद्युत धारा प्रवाहित करनी होगी, और विमान को एक साथ थामे रखने के लिए पर्याप्त मजबूत रहना होगा, वह भी उस नाजुक कंपोजिट सामग्री को नुकसान पहुंचाए बिना जिससे वह जुड़ा हुआ है।

दशकों तक, इन चिप्स को जोड़ने का मानक तरीका धातु की सतहों या विशेष सिरेमिक टाइल्स का उपयोग करना था, लेकिन विमानों की नई पीढ़ी उन्नत पॉलीमर कंपोजिट का उपयोग करती है जिन्हें आसानी से धातु से कोट नहीं किया जा सकता। शोधकर्ता लंबे समय से एक ऐसे पदार्थ की तलाश में थे जो गैर-धातु सतहों पर चिप्स को सीधे जोड़ने के लिए आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की उच्च तापमान वाली स्थितियों को सहन कर सके। चांदी (सिल्वर), सूक्ष्म कणों के रूप में, एक आशाजनक समाधान प्रदान करती है क्योंकि यह बिजली और गर्मी का संचालन असाधारण रूप से अच्छी तरह से करती है और पारंपरिक सोल्डरिंग की तुलना में कम तापमान पर इसे जोड़ा जा सकता है। फिर भी, यह स्पष्ट नहीं था कि क्या यह चांदी बिना किसी धातु की परत की सहायता के, साइनेट एस्टर कंपोजिट (एक ऐसी सामग्री जिसे अपनी स्थिरता और हल्के वजन के लिए एयरोस्पेस में सराहा जाता है) की खुरदरी, गैर-धातु सतह पर सीधे एक मजबूत, स्थायी बंधन बना सकती है।

बीनहांग यूनिवर्सिटी और चीन के संबंधित संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विशिष्ट समस्या को हल करने के लिए हाथ बढ़ाया। उन्होंने तांबे के छोटे ब्लॉक लिए, जिन पर वास्तविक पावर चिप की नकल करने के लिए चांदी की एक पतली परत चढ़ाई गई थी, और उन्हें क्वार्ट्ज-फाइबर-रीइन्फोर्स्ड साइनेट एस्टर कंपोजिट के चौकोर टुकड़ों पर सीधे चिपका दिया। रासायनिक गोंद का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने सूक्ष्म चांदी के कणों से बना एक पेस्ट लगाया और उसे दबाव के तहत गर्म किया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या चांदी के कण आपस में जुड़ने के लिए पर्याप्त रूप से पिघल सकते हैं और साथ ही वे कंपोजिट की छोटी ऊबड़-खाबड़ सतहों में खुद को लॉक कर सकते हैं, जिससे एक सूक्ष्म स्तर पर 'वेलक्रो' (वेल्क्रो) जैसा यांत्रिक पकड़ बन सके।

इस प्रक्रिया के लिए गर्मी और दबाव के सटीक नियंत्रण की आवश्यकता थी। शोधकर्ताओं ने चांदी के पेस्ट को 200 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया, जो तापमान चांदी के कणों को जोड़ने के लिए पर्याप्त था लेकिन कंपोजिट सामग्री को जलाने से बचने के लिए कम था। उन्होंने कणों को एक साथ दबाने के लिए 5 से 20 मेगापास्कल तक का विभिन्न मात्रा में दबाव लगाया। जैसे-जैसे गर्मी बढ़ी, पेस्ट में मौजूद कार्बनिक विलायक (सॉल्वेंट्स) वाष्पित हो गए, जिससे चांदी के कणों को एक-दूसरे के संपर्क में आने और जुड़ने का अवसर मिला। दबाव के तहत, इन कणों ने खुद को पुनर्गठित किया, अंतराल को भरा और धातु की एक घनी, निरंतर परत बनाई। टीम ने पाया कि चांदी केवल कंपोजिट के ऊपर नहीं टिकी थी; बल्कि यह सतह की सूक्ष्म खुरदरापन में प्रवाहित हुई, जिससे एक भौतिक इंटरलॉक बना जिसने दोनों सामग्रियों को एक साथ थाम लिया।

इस प्रत्यक्ष बॉन्डिंग के परिणाम आश्चर्यजनक रूप से मजबूत थे। जब शोधकर्ताओं ने यह परीक्षण किया कि चिप को कंपोजिट से खिसकाने के लिए कितने बल की आवश्यकता थी, तो सबसे मजबूत जोड़ों ने 11.5 मेगापास्कल की शियर स्ट्रेंथ (शीयर सामर्थ्य) प्रदर्शित की। यह शिखर प्रदर्शन तब प्राप्त हुआ जब चांदी को 15 मिनट के लिए 15 मेगापास्कल के दबाव पर सिंटर (sinter) किया गया था। दिलचस्प बात यह है कि बहुत अधिक दबाव लगाने से, जैसे कि 20 मेगापास्कल, वास्तव में बंधन थोड़ा कमजोर हो गया, संभवतः इसलिए क्योंकि अत्यधिक बल ने स्वयं कंपोजिट आधार को नुकसान पहुँचाना शुरू कर दिया था। चांदी की बनी परत अत्यधिक कुशल भी थी, क्योंकि दबाव बढ़ने के साथ इसकी विद्युत प्रतिरोधकता काफी कम हो गई, जो यह दर्शाता है कि कणों ने बिजली के लिए उत्कृष्ट मार्ग बनाने हेतु खुद को कसकर पैक कर लिया था।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह तकनीक वास्तविक विमान के कठोर वातावरण में जीवित रह सके, टीम ने जुड़े हुए जोड़ों को उच्च-तापमान उम्र बढ़ने (हाई-टेम्परेचर एजिंग) के परीक्षण से गुजरवाया। उन्होंने नमूनों को वर्षों के संचालन का अनुकरण करने के लिए 220 डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में 1,000 घंटों तक रखा। 600 घंटों के बाद, जोड़ उल्लेखनीय रूप से मजबूत रहे, जिन्होंने अपनी मूल ताकत का लगभग 81 प्रतिशत बनाए रखा। चांदी की परत ने अच्छा प्रदर्शन किया, लेकिन शोधकर्ताओं ने देखा कि नीचे की कंपोजिट सामग्री तनाव के लक्षण दिखाने लगी, जिसमें रेशों को जोड़ने वाले रेजिन में सूक्ष्म दरारें दिखाई देने लगीं। 1,000 घंटों तक, कंपोजिट में महत्वपूर्ण गिरावट आई, जिसमें फाइबर का रेजिन मैट्रिक्स से अलग होना शामिल था, जिसने अंततः जोड़ को कमजोर कर दिया।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि नैनो-सिल्वर सिंटरिंग का उपयोग करके पावर चिप्स को गैर-धातु कंपोजिट सतहों से सीधे जोड़ना पूरी तरह से संभव है, जिससे एक मजबूत, विद्युत चालक और तापीय रूप से स्थिर संबंध बनता है। इस बंधन का प्राथमिक तंत्र चांदी और प्लास्टिक के बीच कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं है, बल्कि एक यांत्रिक इंटरलॉकिंग है जहाँ चांदी कंपोजिट की सतह की बनावट को भर देती है। हालांकि चांदी का जोड़ टिकाऊ है, पूरे सिस्टम की दीर्घकालिक विश्वसनीयता स्वयं कंपोजिट सामग्री की तापीय स्थिरता द्वारा सीमित है। एक बार जब कंपोजिट अत्यधिक गर्मी के तहत खराब होने लगता है, तो बंधन कमजोर हो जाता है, चाहे चांदी कितनी भी अच्छी तरह से जुड़ी क्यों न हो। यह खोज, यदि एयरफ्रेम में उपयोग की जाने वाली सामग्रियां इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा उत्पन्न गर्मी को सहन कर सकें, तो अगली पीढ़ी के हल्के, उच्च-प्रदर्शन वाले विमानों के ढांचे में इलेक्ट्रॉनिक्स को एकीकृत करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है।