Thiếc hàn dạng kem: Vật liệu hàn mới phục vụ các ngành công nghệ cao

Sơ đồ quy trình tổng hợp bột hợp kim SAC (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)

Thiếc hàn dạng kem (hay kem hàn) là một hỗn hợp bao gồm các hạt hợp kim trộn với chất trợ dung theo một tỷ lệ nhất định. Với các tính chất và ưu điểm riêng, kem hàn thường được ứng dụng trong lĩnh vực điện/điện tử, đặc biệt là sử dụng trong các vi mạch trong lĩnh vực công nghệ cao, điện tử viễn thông và các vi mạch trong lĩnh vực tàu vũ trụ không gian.

Theo ThS. Trần Thụy Thúy Vi – Chủ nhiệm đề tài cho biết: Thành phần chủ yếu của kem hàn truyền thống là hợp kim thiếc-chì. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ và nhu cầu bảo vệ môi trường, kem hàn còn được cấu tạo từ các hợp kim không chì, điển hình là hợp kim thiếc-bạc-đồng (Sn-Ag-Cu). Trong họ hợp kim thiếc-bạc-đồng (Sn-Ag-Cu), các hợp kim có tỷ lệ bạc từ 0,3-4%, tương ứng với SAC0307, SAC105, SAC305, SAC405 được quan tâm nhiều nhất. Trong đó, SAC305 và SAC405 có nhiệt độ nóng chảy gần eutectic nhất (Teut =217oC) trong khi khả năng kháng "mỏi" do nhiệt và khả năng thấm ướt của hợp kim tăng. Kem thiếc hàn không chì được sử dụng trong các nhà máy sản xuất linh kiện, thiết bị điện tử, thiết bị điện…của nước ta hiện nay đều phải nhập khẩu hoàn toàn từ nước ngoài, khiến các doanh nghiệp sản xuất bị phụ thuộc vào thị trường thế giới. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu quyết định chọn sản xuất hợp kim SAC305 là hợp kim được sử dụng rộng rãi hơn các hợp kim khác trong lĩnh vực điện, điện tử hiện nay.

Thực tiễn, kích thước của các bảng mạch ngày càng giảm dẫn đến kích thước và khoảng cách giữa các mối hàn cũng ngày càng thu nhỏ, chỉ trong khoảng vài micromet. Đối với kem hàn nano, chất trợ dung được thêm vào để hoạt động như một chất kết dính tạm thời, giữ cho các thành phần hợp nhất cho đến khi quá trình hàn làm tan chảy hợp kim và kết nối các bộ phận lại với nhau. Do đó, kem hàn nano với thành phần chính là các hạt hợp kim hàn ở kích thước nano được dự đoán sẽ là vật liệu hàn của tương lai, thay thế hợp kim thiếc – chì truyền thống.

Với mục tiêu xây dựng quy trình công nghệ sản xuất thiếc hàn không chì dạng kem, nhóm nghiên cứu đã tiến hành xây dựng quy trình tổng hợp nano hợp kim thiếc hàn SAC305 (Sn=96,5%; Ag=3,0%; Cu=0,5%), trên cơ sở đó tiếp tục nghiên cứu xây dựng quy trình tổng hợp kem thiếc hàn từ nano hợp kim đã được tổng hợp.

Các mẫu bột hợp kim SAC305 (Ảnh: Nhóm nghiên cứu)

Đề tài nghiên cứu đã chế tạo thành công kem hàn SAC305 có thành phần Sn-3,0Ag-0,5Cu, trong đó hạt hợp kim Sn-3,0Ag-0,5Cu đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp khử hóa học, sử dụng tác nhân khử NaBH₄, chất ổn định PVP, dung môi là nước đủ để ngăn chặn sự hình thành oxit thiếc mặc dù phản ứng xảy ra trong môi trường không khí tại nhiệt độ phòng. Quy trình tổng hợp đơn giản, an toàn và thân thiện với môi trường. Bột hợp kim hàn với thành phần Sn-3,0Ag-0,5Cu có hàm lượng bạc và đồng trong hợp kim hàn được kiểm soát tốt. Theo tính toán dựa vào giản đồ nhiễu xạ tia X, kích thước của các hạt hợp kim cô lập trung bình khoảng 16nm. Ngoài ra, điểm nóng chảy của các hạt nano SnAgCu đã giảm xuống còn 205 °C. Do đó, kem hàn từ bột hợp kim hàn SAC305 có các tính chất phù hợp sử dụng làm vật liệu hàn trong sản xuất linh kiện điện tử, đặc biệt là sử dụng trong các vi mạch trong lĩnh vực công nghệ cao.

Việc nghiên cứu, sản xuất kem thiếc hàn không chì, bên cạnh sự đóng góp tích cực cho công tác bảo vệ môi trường còn góp phần thúc đẩy các ngành công nghệ cao, các ngành công nghệ vật liệu mới trong nước phát triển.