Dự án sản xuất thử nghiệm và hoàn thiện công nghệ sản xuất hợp kim thiếc hàn không chì sử dụng trong lĩnh vực điện tử

1. Mở đầu
Theo thống kê của Hiệp hội thiếc thế giới (trước kia là ITRI và nay là ITA), vào năm 2017 sản lượng thiếc sạch của thế giới là 362.500 tấn, trong đó hơn 50% sản lượng thiếc kim loại của thế giới được sử dụng để sản xuất các loại thiếc hàn sử dụng trong công nghiệp điện - điện tử.
Thiếc hàn truyền thống chủ yếu là hợp kim thiếc và chì với các tỷ lệ khác nhau, thường phổ biến hai mác Sn60 (60 % Sn, 40 % Pb) và Sn63 (63 % Sn, 37 % Pb). Hợp kim thiếc hàn chứa chì mặc dù có nhiều tính chất tốt cho mối hàn và giá thành rẻ nhưng chì kim loại là nguyên tố có tính độc hại cao đối với môi trường và con người, có thể gây tổn thương đến não. Việc sử dụng chì trong công nghệ sơn đã bị cấm vào năm 1978, và sau đó bị loại bỏ khỏi xăng. Gần đây, các mối quan tâm đã được nâng lên đối với chì chứa trong đồ chơi và các loại sản phẩm khác của trẻ em.
 Nhằm bảo vệ con người và môi trường khỏi các chất độc hại có trong các sản phẩm điện và điện tử, Liên minh Châu Âu (EU) đã ban hành tiêu chuẩn RoHS áp dụng từ ngày 01 tháng 7 năm 2006, trong đó quy định giới hạn cho phép của chì trong các sản phẩm nhập vào thị trường này là dưới 0,1%. Như vậy, để đảm bảo tiêu chuẩn  RoHS, việc hạn chế sử dụng thiếc hàn chứa chì trong các thiết bị điện - điện tử là yêu cầu tất yếu.
Trên thế giới, các cường quốc về lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử như Nhật Bản, Hàn Quốc, Mỹ... đã bắt đầu nghiên cứu sản xuất và sử dụng thiếc hàn không chì từ năm 1999. Nhờ việc đẩy mạnh áp dụng tiêu chuẩn  RoHS, thị phần của thiếc hàn không chì đã liên tục tăng trong những năm gần đây. Năm 2017, thị phần của thiếc hàn không chì chiếm đến 80 % và dự báo đến năm 2023 đạt 95 %. Ngày nay, đã có hơn 70 loại hợp kim hàn không chứa chì được thử nghiệm, bao gồm các hợp kim 2, 3 nguyên thậm chí bậc bốn nguyên. Trong đó phần lớn các hợp kim cơ sở là thiếc, tức thiếc là thành phần chính được ưu tiên. Mặc dù các nhà nghiên cứu vẫn chưa xác định được bất kỳ sự thay thế nào cho hợp kim hàn chì trong tất cả các ứng dụng các hợp kim liên quan đến các yếu tố như Sn, Ag, Cu, Bi và Zn đã được công nhận là ứng viên đầy hứa hẹn và hiện nay các hệ hợp kim thiếc hàn không chì được sử dụng phổ biến nhất đó là:
- Hệ hợp kim thiếc hàn không chì hai nguyên gồm Sn, Cu với mác SnCu0.3 (thành phần mác có chứa 0,3% Cu còn lại là thiếc) và SnCu0.7
- Hệ hợp kim thiếc hàn không chì hệ 3 nguyên gồm Sn, Ag, Cu (viết tắt là SAC) điển hình là mác SAC305.
2. Các phương pháp nấu luyện thiếc hàn không chì
Yêu cầu quan trọng nhất đối với thiếc hàn không chì nhiệt độ nóng chảy phải thấp gần với thiếc hàn chì truyền thống. Do đó, các mác thiếc hàn không chì hiện nay trên thị trường đều có thành phần dao động xung quanh điểm cùng tinh (điểm có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất) trên giản đồ pha của các cấu tử chính. Chẳng hạn đối với hệ hợp kim thiếc hàn không chì Sn, Cu, người ta thường sử dụng mác SnCu0.3 chứa 0,3% Cu, còn lại chủ yếu là Sn để đạt được nhiệt độ nóng chảy 220^oC-227^oC phù hợp để hàn.
Một số công nghệ sản xuất thiếc hàn không chì nói chung được các nước trên thế giới áp dụng như:
- Phương pháp nấu luyện trực tiếp: Là phương pháp nấu luyện hợp kim từ các kim loại riêng biệt. Phương pháp này tuy đơn giản, quy trình công nghệ ngắn gọn nhưng độ cháy hao của nguyên tố hợp kim trong quá trình nấu luyện thường lớn và khi cần phối liệu các nguyên tố với hàm lượng nhỏ thì rất khó chính xác.
- Phương pháp nấu luyện từ kim loại chính (Sn) và các hợp kim trung gian (HKTG). Theo phương pháp này cần sản xuất các HKTG trước, sau đó phối liệu cùng với kim loại chính để nấu luyện tạo mác hợp kim mong muốn. Nấu luyện qua HKTG có khả năng phối liệu dễ dàng, mất mát kim loại do cháy hao trong quá trình nấu luyện thấp, do vậy phương pháp này hiệu quả khi cần nấu luyện các hợp kim có thành phần nhỏ.
3. Cơ sở để tổ chức sản xuất thử nghiệm
Từ  kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu công nghệ sản xuất thiếc hàn không chì mác SAC305 sử dụng trong lĩnh vực điện - điện tử”, thuộc nhiệm vụ KH&CN cấp Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Thái Nguyên năm 2018 do Công ty TNHH MTV Mỏ và Luyện kim Thái Nguyên chủ trì:
- Đã tiến hành nghiên cứu và đưa ra qui trình công nghệ nấu luyện hợp kim thiếc hàn không chì là HKTG SnCu và SnAg.
- Đã tiến hành nghiên cứu và đưa ra qui trình công nghệ nấu luyện hợp kim thiếc hàn không chì mác SAC305.
Kết quả cho thấy, ở quy mô phòng thí nghiệm với khối lượng mẻ nấu luyện nhỏ (200g) sản phẩm đều đạt yêu cầu về độ đồng nhất thành phần và chất lượng. Tuy nhiên, do khảo sát ở quy mô mẻ nấu nhỏ, điều kiện tối ưu nên trong quá trình nấu luyện chưa thể hiện rõ những ưu, nhược điểm. Do đó khi triển khai dự án sản xuất thử nghiệm cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện quá trình nấu luyện trên quy mô mẻ lớn bằng phương pháp nấu luyện thông qua HKTG và nấu luyện trực tiếp để từ đó xác định phương pháp nấu luyện phù hợp. Đồng thời khi nấu luyện ở quy mô mẻ lớn cần tiếp thực hiện nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình như:

Do các yếu tố trên có ảnh hưởng rất lớn trong quá trình nấu luyện và chất lượng hợp kim. Vậy nên, cần tiến hành nghiên cứu hoàn thiện và bổ sung các yếu tố ảnh hưởng này.
Công ty TNHH MTV Mỏ và Luyện kim Thái nguyên đã tập trung khai thác và đề xuất triển khai thực hiện dự án sản xuất thử nghiệm: Sản xuất thử nghiệm và hoàn thiện công nghệ sản xuất hợp kim thiếc hàn không chì sử dụng trong lĩnh vực điện tử. Mã số: DASXTN.01/2019, thời gian thực hiện từ tháng 07/2019 đến tháng  07/2021 và một phần kinh phí thực hiện của Dự án được hỗ trợ bằng nguồn kinh phí ngân sách Nhà nước cấp thông qua tỉnh Thái Nguyên.
Với việc chủ động sản xuất được hợp kim thiếc hàn không chì từ nguồn nguyên liệu thiếc kim loại trong nước giúp nâng cao giá trị sản phẩm. Sản phẩm thiếc hàn không chì phục vụ nội địa và cho thị trường xuất khẩu tăng nguồn thu ngoại tệ cho đất nước. Về mặt thị trường, thiếc hàn không chì hiện đang được các cơ sở sản xuất thiết bị điện - điện tử trong nước sử dụng rộng rãi dưới dạng nhập khẩu. Do đó, sản phẩm của dự án là thiếc hàn không chì sản xuất trong nước có thể cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu nhờ giá thành rẻ hơn và chất lượng đảm bảo. Việc áp dụng thành công kết quả của dự án vào sản xuất và cung ứng sản phẩm thiếc hàn không chì cho thị trường trong nước hoặc xuất khẩu cho phép sử dụng triệt để và hiệu quả tài nguyên khoáng sản của đất nước. Sản phẩm của dự án phục vụ trực tiếp cho công nghiệp điện - điện tử trong nước do đó giúp hạn chế nhập khẩu, tiết kiệm ngoại tệ cho đất nước và giảm sự phụ thuộc của các doanh nghiệp sản xuất trong nước vào sự cung ứng vật tư nước ngoài. Thiếc hàn không chì sản xuất trong nước sẽ dần thay thế cho thiếc hàn chì truyền thống, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường tác hại đối với người sản xuất và người sử dụng. Đồng thời tiến tới có thể xuất khẩu sản phẩm ra thị trường thế giới. Phát triển chế tạo sản phẩm thiếc hàn không chì góp phần nâng cao hiệu quả trong ngành khai thác và chế biến khoáng sản, tạo thêm việc làm cho người lao động, thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội của địa phương và đất nước.
4. Mục tiêu của dự án sản xuất thử nghiệm

- Sản xuất thử 100 tấn sản phẩm (một năm) hợp kim thiếc hàn không chì dạng thanh, dạng dây (có lõi chất trợ hàn là nhựa thông và không có lõi trợ hàn).
Hiện nay Dự án sản xuất thử nghiệm đang trong giai đoạn đầu tư, lắp đặt thiết bị, chuẩn bị nguyên liệu để tiến hành nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện công nghệ
5. Kết luận
Dự án sản xuất thử nghiệm và hoàn thiện công nghệ sản xuất hợp kim thiếc hàn không chì sử dụng trong lĩnh vực điện tử sẽ nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện quy trình công nghệ và sản xuất một khối lượng sản phẩm để khẳng định công nghệ, làm cơ sở cho việc đầu tư dây truyền thiết bị sản xuất thiếc hàn không chì thay thế cho sản phẩm nhập khẩu, làm tiền đề cho việc nghiên cứu, chế tạo thiếc hàn không chì dạng kem phục vụ cho ngành công nghiệp điện - điện tử.