Kết quả thực hiện nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Nghiên cứu công nghệ sản xuất kem thiếc hàn (solder paste) SAC305 phục vụ ngành công nghệ điện tử từ nguyên liệu trong nước”

Lê Văn Kiên1, Phạm Xuân Hùng1, Lê Hồng Thắng2, Dương Ngọc Bình2, Nguyễn Minh Đạt3
1,Công ty TNHH MTV Mỏ và Luyện kim Thái Nguyên.
2, Viện kỹ thuật vật liệu-Trường ĐH Bách khoa Hà Nội.
3,Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai ứng dụng Công nghệ- Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ-Luyện kim.

1. Giới thiệu chung
Trong những năm qua, ngành công nghiệp điện, điện tử phát triển với tốc độ nhanh chóng kéo theo các ngành công nghiệp phụ trợ phát triển theo. Tính riêng tại Việt Nam, mỗi năm ước tính có hàng trăm nghìn mét vuông bảng mạch được sản xuất để phục vụ cho lĩnh vực điện tử.
Theo xu thế mới, các linh kiện điện tử ngày càng có nhiều chức năng, kích thước của các bảng mạch ngày càng giảm dẫn đến kích thước và khoảng cách giữa các mối hàn bị thu nhỏ hơn, trong tương lai gần sẽ tiến tới khoảng vài micromet. Do vậy, cần tiếp tục nghiên cứu công nghệ sản xuất các vật liệu hàn nhằm đáp ứng các điều kiện hàn khắt khe trong hiện tại cũng như tương lai.
Kem thiếc hàn là vật liệu được sản xuất từ bột hợp kim hàn trộn với chất trợ hàn theo tỷ lệ định trước. Kem thiếc hàn là vật liệu lý tưởng cho các kĩ thuật hàn hiện đại và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất bảng mạch in để hàn các linh kiện điện tử trên bề mặt bảng mạch; loại vật liệu này giúp cho quá trình sản xuất diễn ra một cách đơn giản, dễ dàng, được sử dụng trong sản xuất từ quy mô nhỏ tới quy mô rất lớn.
Năm 2018, Công ty TNHH MTV Mỏ và Luyện kim Thái Nguyên triển khai đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thiếc hàn không chì mác SAC305 sử dụng trong lĩnh vực Điện – Điện tử”. Kết quả của đề tài đã xây dựng được công nghệ nấu luyện tạo mác hợp kim thiếc hàn SAC305, đã chế tạo được thiếc hàn dạng dây và dạng thanh. Sản phẩn của đề tài được hội đồng nghiệm thu đánh giá cao về chất lượng cũng như khả năng ứng dụng trong thực tế.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu này, Công ty đã đề xuất nhiệm vụ khoa học công nghệ trong khoảng thời gian 2020 – 2022 và được UBND tỉnh Thái nguyên giao thực hiện đề tài: "Nghiên cứu công nghệ sản xuất kem thiếc hàn (solder paste) SAC305 phục vụ ngành công nghệ điện tử từ nguyên liệu trong nước". Quá trình thực hiện đề tài có sự phối hợp nghiên cứu của các nhà khoa học tại Công ty TNHH MTV Mỏ & Luyện kim Thái Nguyên, Viện Khoa học & Kỹ thuật Vật liệu (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) và Trung tâm Nghiên cứu và triển khai ứng dụng công nghệ (Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ luyện kim).

2. Nội dung nghiên cứu
2.1. Phun tạo bột hợp kim
Hiện nay có nhiều phương pháp tạo bột kim loại, căn cứ vào tính chất cơ lý, nhiệt độ nóng chảy của hợp kim SAC305, nhóm nghiên cứu lựa chọn phương pháp tạo bột bằng phương pháp phun khí trơ (khí Argon) đảm bảo cho sản phẩm bột không bị oxy hóa đồng thời trong quá trình phun liên quan đến dòng chảy của chất lỏng, áp lực khí được kiểm soát thuận tiện. Đây cũng là phương pháp phổ biến hiện nay dùng để sản xuất bột hợp kim hàn. Bột hợp kim hàn sẽ được phối trộn với chất phụ gia theo tỷ lệ thích hợp để tạo thành kem hàn SAC305.
Hợp kim SAC305 được nấu chảy trong lò điện trở, sau khi kiểm tra đảm bảo đúng thành phần thì hợp kim SAC305 lỏng được rót sang thiết bị phun tạo bột. Quá trình phun được thực hiện bằng cách tháo hợp kim lỏng qua lỗ tháo trong nồi phun vào vòi phun hợp kim lỏng (có đường kính 1 mm). Khí Ar được sử dụng trong quá trình phun nhằm đảm bảo bột hợp kim hàn không bị ôxi hóa.
Kết quả thực nghiệm được thể hiện trên hình 1.

 
Sản phẩm bột hợp kim sau khi phun được phân  tích cỡ hạt bằng hệ thống sàng tiêu chuẩn, kết quả thu được thể hiện trên hình 2.

2.2. Trộn tạo kem thiếc hàn SAC305
  • Sản phẩm bột hợp kim thiếc hàn SAC305 đạt yêu cầu về thành phần, kích thước hạt được làm nguyên liệu tạo sản phẩm Kem thiếc hàn SAC305.
  • Nguyên liệu bao gồm:
  • Bột hợp kim SAC305 tỷ lệ (~85%)
  • Chất trợ hàn bột nhựa thông có khích thước < 1 mm tỷ lệ (5%)
  • Phụ gia Glycerin tỷ lệ (~5%)
  • Ethanol 96% tỷ lệ (~5%)
Tỷ lệ chất trợ hàn, dung môi, phụ gia trong kem thiếc hàn có thể điều chỉnh theo tiêu chuẩn của IPC (IPC International - Hiệp hội kết nối các ngành công nghiệp điện tử. IPC được công nhận bởi Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ.
2.3. Kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm kem thiếc hàn SAC305
Thành phần một số kim loại chính trong hợp kim đã được Phân tích tại trung tâm phân tích (Vilas1303) thuộc CÔNG TY TNHH MÔI TRƯỜNG SETECH (SETECH environment limited company)

 
Bảng 1. Thành phần hợp kim SAC305
TT Sản phẩm Thành phần (%)
%Sn %Ag %Cu %Pb
1 Hợp kim SAC305 96,42 2,95 0,48 0,0017

2.3.1. Tổ chức tế vi
Tổ chức của mối hàn chính là tổ chức của hợp kim SAC305, tổ chức này gồm các chấm đen là pha Sn phân bố khá đều trên nền Ag3Sn và Cu6Sn5. Trong phạm vi nhiệt độ khảo sát, tổ chức của hợp kim SAC305 hầu như không có sự thay đổi nào đáng kể. Tổ chức của hợp kim SAC305 tại các nhiệt độ hàn khác nhau được chỉ ra trong hình dưới đây.
2.3.2. Góc thấm ướt
Để đánh giá góc thấm ướt của kem thiếc hàn SAC305 trên nền đồng nguyên chất, đề tài đã chuẩn bị mẫu và tiến hành khảo sát như sau.
Đồng nguyên chất được gia công dạng tấm phẳng, kích thước 30x30 mm, tẩy sạch bề mặt bằng giấy ráp và axit để loại bỏ các tạp chất ở bề mặt. Dùng thìa thí nghiệm lấy 2g kem hàn SAC305 đặt vào chính giữa tấm đồng, kem hàn có dạng giọt, sệt trên bề mặt tấm đồng. Đặt tấm đồng chứa kem hàn này nằm tiếp xúc với bề mặt của thiết bị gia nhiệt, nâng nhiệt đến nhiệt độ mong muốn, giữ nhiệt trong 60 giây rồi để nguội tự nhiên trong không khí. Trong quá trình nâng và giữ nhiệt, kem hàn chảy lỏng và bám dính vào tấm đồng. Khi làm nguội, kem hàn đông đặc và có dạng gần giống chỏm cầu bám lên bề mặt tấm đồng. Cắt chỏm cầu này theo phương vuông góc với tấm đồng tại điểm có độ cao lớn nhất, mài mặt cắt cho phẳng rồi chụp ảnh quang học bề mặt. Dùng phần mềm autocad, dựng đường thẳng trùng với mặt tiếp giáp phẳng của kem hàn với tấm đồng, dựng đường tiếp tuyến của đường cong kem hàn tiếp xúc với tấm đồng, góc hợp bởi hai đường này chính là góc thấm ướt giữa hai loại vật liệu.
Tổ chức tế vi của hợp kim và góc thấm ướt của kem hàn SAC305 trên nền đồng nguyên chất được phân tích trên thiết bị kính hiển vi quang học GX53 tại Viện Khoa học & Kỹ thuật vật liệu, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Quá trình thay đổi nhiệt độ khi khảo sát khả năng thấm ướt của kem hàn SAC305 trên nền đồng nguyên chất tương ứng với việc thay đổi nhiệt độ hàn trong quá trình hàn linh kiện trong bảng mạch điện tử.
Hình ảnh của góc thấm ướt giữa kem hàn SAC305 và đồng khi khảo sát ở các nhiệt độ khác nhau.
Ảnh hưởng của nhiệt độ hàn đến góc thấm ướt của kem thiếc hàn SAC305 trên nền đồng nguyên chất được chỉ ra trong hình 5.

Từ biến thiên góc thấm ướt theo nhiệt độ trên hình 5 cho thấy, khi tăng nhiệt độ hàn thì khả năng thấm ướt của hợp kim SAC305 trên nền đồng tăng lên thông qua việc giảm góc thấm ướt. Góc thấm ướt nhỏ nhất khi tăng nhiệt độ lên 260 oC và có xu hướng hạ tiếp khi tăng nhiệt độ hàn. Tuy nhiên, việc tăng nhiệt độ có lợi cho việc tăng chất lượng mối hàn nhưng cũng gia tăng nguy cơ quá nhiệt cho các linh kiện điện tử. Góc thấm ướt của hợp kim SAC305 trên nền đồng thấp hơn so với hầu hết các hợp kim hàn khác ở cùng điều kiện.
2.3.3. Độ bền kéo
Để đánh giá cơ tính của mối hàn sử dụng kem thiếc hàn SAC305, đề tài đã tiến hành chế tạo mẫu và thử nghiệm như sau.
Hai thanh đồng có kích thước 45x10x3 mm được làm sạch như trong khảo sát góc thấm ướt. Các thanh này được đặt đối đầu theo chiều 10 mm, cách nhau 0,3 – 0,5 mm trên bề mặt của thiết bị gia nhiệt. Dùng thìa thí nghiệm lấy 1 g kem hàn SAC305 cho vào chính giữa phần đối đầu 2 thanh đồng. Nâng nhiệt đến nhiệt độ mong muốn, giữ nhiệt 90 giây và làm nguội tự nhiên trong không khí. Trong quá trình nâng và giữ nhiệt, kem hàn chảy lỏng và điền vào khe hở giữa hai thành đồng, tạo liên kết với với đồng. Khi làm nguội, kem hàn đông đặc và dính kết hai thanh đồng với nhau. Dùng giấy ráp loại bỏ hết phần hợp kim SAC305 bám dính phần ngoài khe hở giữa hai thành đồng. Đưa mẫu vào máy đo cơ tính vạn năng để đo độ bền kéo với tốc độ kéo 0,01 mm/s. Kết quả độ bền kéo với các nhiệt độ hàn thể hiện trong hình dưới đây.
Độ bền kéo của mối hàn sử dụng kem thiếc hàn SAC305 trên nền đồng được kiểm tra trên thiết bị thử cơ tính MTS E45.105 tại Viện Khoa học & Kỹ thuật vật liệu, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

 
Qua biểu đồ hình 6 ta thấy, khi tăng nhiệt độ hàn thì giá trị bền kéo của hợp kim SAC305 cũng tăng theo và đạt giá trị lớn nhất 50 MPa. Việc tăng nhiệt độ khiến hợp kim trở nên linh động hơn, thuận lợi về mặt nhiệt động học cũng như động học cho quá trình tạo hợp kim giữa đồng (trong nền đồng) với thiếc (trong hợp kim SAC305) dẫn đến liên kết tốt hơn giữa hợp kim SAC305 và đồng.

3. Kết luận
Đề tài đã xây dựng được quy trình phun tạo bột  hợp kim SAC305 sử dụng khí Ar, quy trình chế tạo kem thiếc hàn SAC305 từ bột hợp kim của quy trình phun bột, sản xuất thử nghiệm sản phẩm kem thiếc hàn SAC305 có các tính chất phù hợp làm vật liệu hàn trong sản xuất linh kiện điện tử, đặc biệt là các vi mạch trong lĩnh vực công nghệ cao. Các vật tư, hoá chất sử dụng trong qua trình nghiên cứu có nguồn gốc trong nước. Sản phẩm của đề tài đáp ứng yêu cầu của kỹ thuật hàn mạch điện tử, phù hợp với xu hướng chung của xã hội là hướng tới sử dụng sản phẩm an toàn sức khỏe, thân thiện với môi trường.

Tài liệu tham khảo
  1. Lê Văn Kiên, Báo cáo tổng kết Đề tài cấp tỉnh Thái Nguyên “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thiếc hàn không chì mác SAC305 sử dụng trong lĩnh vực điện - điện tử.” năm 2018
  2. Bradley. D., On the atomization of a liquid by high-velocity gases, Journal of Physics D: Applied Physics (1973). D. 6. 1724.
  3. Brunauer. S.. Emmett. P. H.. and Teller. E. (1938). Journal of the American Chemical Society, 60, 309-319

Đối tác
MO Việt NAM
Báo Công Thương
Bộ Công Thương
Bộ Công thương
V2