Influence of the high-melting-point solder addition on the thermo-mechanical reliability of solderable anisotropic polymer composites containing low- melting-point solder
研究表明，将高熔点焊料引入基于低熔点焊料的各向异性聚合物复合材料中，通过增强初始结合、抑制微观结构粗化以及减缓金属间化合物生长，显著提升了其在热冲击测试期间的热机械可靠性。
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在现代电子产品的隐形世界里，微小的连接支撑着一切。在智能手机或计算机内部，微芯片精细的金属引线必须牢固地连接到电路板上，以传输电流和数据。这些连接是使用特殊的浆料制成的，它们会硬化成焊点。然而，用于这些设备的材料在温度变化时膨胀和收缩的速率各不相同。当设备在极寒与酷热之间循环时，这种不匹配的运动会产生压力，就像桥梁在夏日阳光下扩张、在冬季收缩一样。随着时间的推移，这种反复的拉伸和挤压会导致微小的焊点出现裂纹、剥离或失去导电能力，从而导致设备失效。工程师们长期以来一直在寻求一种方法，使这些焊点足够坚固，能够承受如此严苛的条件而不发生断裂。
韩国中央大学和江原大学的研究人员探索了一种通过在粘合浆料中混合两种不同类型的金属颗粒来增强这些连接的新方法。他们专注于一种被称为可焊各向异性聚合物复合材料的材料，这种材料既充当胶水，又充当电桥。为了测试其耐用性，他们制作了两种版本的材料：一种仅由低熔点金属颗粒组成，另一种则添加了第二种熔点高的金属。随后，他们对这两个版本进行了严格测试，使其在零下55摄氏度和125摄氏度之间循环一千次。这种极端的温度冲击模拟了电子设备可能面临的最恶劣环境。研究发现，含有两种类型金属颗粒的混合物比仅含低熔点金属的版本结合得更紧密，为实现更可靠的电子产品提供了一条充满希望的路径。
实验的核心在于使用小型芯片封装和电路板创建微型测试接头。研究人员应用了定制的浆料，并对其进行加热以熔化金属颗粒，使它们能够流动并与金属引线结合。在第一个版本中，浆料仅含有锡和铋颗粒，它们的熔点相对较低。在第二个版本中，他们加入了等量的锡、银和铜颗粒，这些颗粒需要更高的热量才能熔化。随着浆料冷却并硬化，金属颗粒形成了电流在芯片与电路板之间传输的固体路径，而周围的聚合物则起到了保护壳的作用。研究人员随后将这些组件放入一个在极冷与极热之间快速切换的箱体中，在短短几天内模拟了数年的磨损。
在这一千次的温度冲击循环中，两类焊点都保持了稳定的电气连接，没有出现通常预示连接失效的电阻激增现象。这种稳定性证明了金属路径保持完好，即使在材料剧烈膨胀和收缩的情况下也是如此。然而，当研究人员测试将芯片从电路板上物理拉开所需的力时，明显的差异出现了。在测试开始前，使用混合金属颗粒制作的焊点强度比单一金属类型的焊点高出约33%。在经历了残酷的温度循环后，混合金属焊点依然表现优于其他类型，其保持的拉伸强度比前者高出近47%。高熔点金属颗粒的加入创造了一个更坚韧、更具韧性的结合，能够抵抗由温度变化引起的疲劳。
为了理解为什么混合金属焊点如此强韧，研究人员仔细观察了焊点的微观结构。在仅由低熔点金属制成的焊点中，内部结构由不同金属组成的交替层构成，这些层随着温度循环而趋向于变得更大且更粗糙。这种粗化现象，结合在金属与铜电极接触处形成的脆性层的快速生长，使得焊点随时间推移而变弱。相比之下，混合金属的焊点则形成了不同的内部景观。第二种金属类型的存在导致微小的硬质颗粒形成并在整个结合部均匀分布。这些颗粒起到了加固作用，阻止了金属层长得过大，并防止了脆性界面层变得扁平化并成为薄弱点。
研究还表明，混合金属焊点能有效抵抗在焊料与电极界面处积累特定脆性物质的情况。在单一金属焊点中，随着测试的进行，这种物质显著堆积，形成了一个容易产生裂纹的薄弱点。混合金属配方防止了这种堆积，使连接界面更加洁净且强韧。当研究人员在测试后将焊点拉开时，单一金属焊点沿着这些薄弱界面发生了脆性断裂，而混合金属焊点则表现出更坚韧、更复杂的断裂模式，这表明其结合非常稳固。结果表明，通过仔细选择和混合金属填充物，工程师可以创造出不仅导电性能良好，而且能承受现实世界极端物理应力的电子接头，从而有望延长从消费类电子产品到关键基础设施的设备寿命。
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