Influence of the high-melting-point solder addition on the thermo-mechanical reliability of solderable anisotropic polymer composites containing low- melting-point solder
O estudo demonstra que a incorporação de solda de alto ponto de fusão em compósitos poliméricos anisotrópicos baseados em solda de baixo ponto de fusão aumenta significamente sua confiabilidade termomecânica durante testes de choque térmico ao fortalecer a ligação inicial, suprimir o engrossamento microestrutural e retardar o crescimento de compostos intermetálicos.
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No mundo invisível da eletrônica moderna, conexões minúsculas mantêm tudo unido. Dentro de um smartphone ou de um computador, delicados terminais metálicos de um microchip devem estar firmemente fixados a uma placa de circuito para conduzir eletricidade e dados. Essas conexões são feitas usando pastas especiais que endurecem em juntas. No entanto, os materiais usados nesses dispositivos expandem-se e contraem-se em taxas diferentes quando as temperaturas mudam. Quando um dispositivo alterna entre o frio congelante e o calor escaldante, esses movimentos desalinhados criam estresse, de forma muito semelhante a uma ponte que se expande sob o sol do verão e encolhe no inverno. Com o tempo, esse estiramento e compressão repetidos podem fazer com que as pequenas juntas rachem, se separem ou percam sua capacidade de conduzir eletricidade, levando à falha do dispositivo. Engenheiros buscam há muito tempo uma maneira de tornar essas juntas fortes o suficiente para sobreviver a tais condições severas sem quebrar.
Pesquisadores da Universidade Chung-Ang e da Universidade Nacional de Kangwon, na Coreia do Sul, exploraram uma nova maneira de fortalecer essas conexões misturando dois tipos diferentes de partículas metálicas na pasta de colagem. Eles focaram em um material chamado composto polimérico anisotrópico soldável, que atua tanto como uma cola quanto como uma ponte elétrica. Para testar sua durabilidade, eles criaram duas versões deste material: uma feita apenas com partículas metálicas de baixo ponto de fusão e outra que adicionava um segundo tipo de metal com um ponto de fusão muito mais alto. Eles então submeteram ambas as versões a um teste rigoroso, ciclando-as mil vezes entre as temperaturas de menos 55 graus Celsius e 125 graus Celsius. Este choque térmico extremo mimetiza os ambientes mais rigorosos que um dispositivo eletrônico pode enfrentar. O estudo descobriu que a mistura contendo ambos os tipos de partículas metálicas manteve-se unida significativamente melhor do que a versão com apenas o metal de baixo ponto de fusão, oferecendo um caminho promissor para eletrônicos mais confiáveis.
O cerne do experimento envolveu a criação de minúsculas juntas de teste usando um pequeno encapsulamento de chip e uma placa de circuito. Os pesquisadores aplicaram suas pastas personalizadas e as aqueceram para derreter as partículas metálicas, permitindo que fluíssem e se unissem aos terminais metálicos. Na primeira versão, a pasta continha apenas partículas de estanho e bismuto, que derretem a uma temperatura relativamente baixa. Na segunda versão, eles adicionaram uma quantidade igual de partículas de estanho, prata e cobre, que exigem muito mais calor para derreter. À medida que a pasta esfriava e endurecia, as partículas metálicas formavam caminhos sólidos para a eletricidade viajar entre o chip e a placa, enquanto o polímero circundante atuava como uma camada protetora. Os pesquisadores então colocaram essas montagens em uma câmara que oscilava rapidamente entre o frio e o calor extremos, simulando anos de desgaste em questão de dias.
Ao longo dos mil ciclos de choque térmico, ambos os tipos de juntas mantiveram uma conexão elétrica constante, não mostrando sinais dos picos de resistência que normalmente indicam uma ligação falha. Essa estabilidade provou que os caminhos metálicos permaneceram intactos, mesmo enquanto os materiais expandiam e contraíam violentamente. No entanto, quando os pesquisadores testaram quanta força era necessária para fisicamente puxar o chip da placa, uma diferença clara surgiu. Antes do início dos testes, as juntas feitas com as partículas metálicas misturadas eram cerca de trinta e três por cento mais fortes do que aquelas feitas com o tipo de metal único. Após o brutal ciclo térmico, as juntas de metal misto ainda superaram as outras, retendo uma força de tração quase quarenta e sete por cento maior. A adição das partículas metálicas de alto ponto de fusão criou uma ligação mais resistente e resiliente que resistiu à fadiga causada pelas mudanças de temperatura.
Para entender por que as juntas de metal misto eram tão mais fortes, os pesquisadores examinaram de perto a estrutura microscópica das ligações. Nas juntas feitas apenas com o metal de baixo ponto de fusão, a estrutura interna consistia em camadas alternadas de diferentes metais, que tendiam a crescer maiores e mais grosseiras conforme a temperatura ciclava. Esse engrossamento, combinado com o crescimento rápido de uma camada quebradiça onde o metal encontrava o eletrodo de cobre, tornava a junta mais fraca ao longo do tempo. Em contraste, as juntas com os metais mistos desenvolveram um cenário interno diferente. A presença do segundo tipo de metal fez com que pequenas partículas duras se formasassem e se espalhassem uniformemente pela ligação. Essas partículas atuaram como reforços, impedindo que as camadas metálicas crescessem demais e evitando que a camada de interface quebradiça se achatasse e se tornasse um ponto fraco.
O estudo também revelou que as juntas de metal misto resistiram ao acúmulo de uma substância quebradiça específica na interface entre a solda e o eletrodo. Nas juntas de metal único, essa substância acumulou-se significamente conforme o teste progredia, criando um ponto fraco onde rachaduras poderiam facilmente começar. A formulação de metal misto preveniu esse acúmulo, mantendo a interface de conexão mais limpa e forte. Quando os pesquisadores puxaram as juntas para separá-las após os testes, as de metal único quebraram de forma quebradiça ao longo dessas interfaces fracas, enquanto as de metal misto mostraram um padrão de quebra mais robusto e complexo, que indicava que a ligação estava resistindo. Os resultados sugerem que, ao selecionar e misturar cuidadosamente os preenchimentos metálicos, os engenheiros podem criar juntas eletrônicas que não apenas conduzem eletricidade bem, mas também sobrevivem aos estresses físicos extremos do mundo real, potencialmente estendendo a vida útil de tudo, desde dispositivos de consumo até infraestruturas críticas.
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