Một số kết quả thực hiện “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 số liệu thống kê của Viện Nghiên cứu Thiếc Quốc tế (ITRI), hàng năm lượng thiếc (Sn) sử dụng làm vật liệu hàn rất lớn, chiếm 30÷40 % tổng sản lượng Sn toàn thế giới và dự báo có xu hướng tăng theo sự tăng trưởng của ngành công nghiệp sản xuất thiết bị điện, điện tử.
Thiếc là thành phần chính được sử dụng để chế tạo vật liệu hàn, một hợp kim dễ nóng chảy, tạo ra một liên kết bền vững giữa các chi tiết cần hàn. Để dễ sử dụng và phù hợp với yêu cầu của CN điện, điện tử, đòi hỏi hợp kim sử dụng làm vật liệu hàn phải có điểm nóng chảy thấp hơn các kim loại được nối (90-450^oC), có tính dẫn điện cao, ngoài ra cũng phải có khả năng chống lại các tác động oxy hóa và ăn mòn sẽ làm thoái hóa mối hàn theo thời gian. Sn hàn truyền thống có chứa chì (Pb), một kim loại có ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe của con người và sẽ tạo thành nguồn chất độc hại khi thải bỏ ra môi trường. Để khắc phục những nhược điểm đó, Liên minh Châu Âu (EU) đã ban hành quy định hạn chế các chất độc hại hay gọi là tiêu chuẩn RoHS (Restriction Of Hazardous Substances). Đây là một bộ tiêu chuẩn được pháp luật Châu Âu ban hành nhằm bảo vệ con người và môi trường khỏi các chất độc hại có trong các sản phẩm điện và điện tử. Các chất cấm bao gồm 06 loại có thành phần không vượt quá giới hạn sau: Cadmium (Cd): 0,01%; Thủy ngân (Hg): 0,1%; Chromium hóa trị 6: 0,1%; Hợp chất của Brom như: PBBs (polybrominated biphenyls): 0,1%; PBDEs (polybrominated diphenyl ethers): 0,1% và chì (Pb) 0,1%.
Để đáp ứng Tiêu chuẩn RoHS2 của EU có hiệu lực vào tháng 7 năm 2019. Các đơn vị sản xuất Sn hàn nói chung và Công ty TNHH MTV Mỏ - Luyện kim Thái Nguyên (Công ty) nói riêng phải nghiên cứu, thay thế chì bằng các kim loại khác không gây ảnh hưởng tới môi trường làm việc của người lao động và không là nguồn gây nguy cơ ô nhiễm môi trường sau này của các sản phẩm điện, điện tử.
Trên cơ sở đó, Công ty đã đề xuất và được Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Thái Nguyên chấp thuận cho triển khai nhiệm vụ KHCN “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”. Mã số: DASXTN.01/2019, thời gian thực hiện từ tháng 07/2019 đến tháng  07/2021, với mục tiêu của nhiệm vụ KHCN là nghiên cứu, sản xuất ra vật liệu Sn hàn chứa không quá 0,1%Pb, để thay thế vật liệu hàn chứa chì truyền thống, đảm bảo sự phát triển bền vững, bảo vệ môi trường.  
2. Cơ sở để thực hiện dự án 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 xác định được:

• Qui trình công nghệ nấu luyện hợp kim thiếc hàn không chì là hợp kim trung gian (HKTG) SnCu và SnAg;
• Qui trình công nghệ nấu luyện hợp kim thiếc hàn không chì mác SAC305.
• Các mẫu hợp kim Sn hàn khối lượng 200g đạt yêu cầu về độ đồng nhất thành phần và chất lượng;

3. Những vấn đề dự án sản xuất thử nghiệm cần giải quyết
 Dự án sản xuất thử nghiệm cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện quá trình nấu luyện trên quy mô mẻ lớn để từ đó xác định phương pháp nấu luyện, các điều kiện, chế độ công nghệ phù hợp, trong đó cần nghiên cứu, tối ưu hóa các thông số công nghệ sau:   

• Nhiệt độ nấu luyện.
• Thời gian nấu luyện.
• Tốc độ khuấy.
• Chất che phủ bề mặt, v.v...

4. Mục tiêu của dự án sản xuất thử nghiệm

• Hoàn thiện quy trình công nghệ nấu luyện hợp kim thiếc hàn không chì.
• Hoàn thiện quy trình công nghệ kéo dây hợp kim thiếc hàn không chì không có lõi chất trợ hàn nhựa thông.
• Xây dựng và hoàn thiện quy trình công nghệ kéo dây hợp kim thiếc hàn không chì có lõi chất trợ hàn nhựa thông.
• Sản xuất thử 100 tấn sản phẩm (một năm) hợp kim thiếc hàn không chì dạng thanh, dạng dây, dải.

5. Một số kết quả nghiên cứu nấu luyện hợp kim thiếc hàn không chì mác SnCu0.3 và SnCu0.7
Nghiên cứu về cấu trúc vi mô của hợp kim thiếc hàn SnCu rất quan trọng vì nó quyết định trực tiếp đến các tính chất của vật hàn và mối hàn. Theo giản đồ trạng thái hệ 2 nguyên tố SnCu, các pha đối xứng ổn định dưới 300°C là các pha Cu3Sn và Cu6Sn5. Hợp kim Sn-0,7Cu gần hệ thống eutectic và các pha chính là b-Sn và Cu6Sn5 ở nhiệt độ phòng. Phản ứng eutectic của L →b-Sn h-Cu6Sn5 tồn tại trong Sn0.7Cu ở 227°C. Với sự làm giảm nhiệt độ nóng chảy đến 186°C, sự biến đổi pha Cu6Sn5 xảy ra từ hình lục giác η-Cu6Sn5 thành dạng đơn hình η’-Cu6Sn5. Sự biến đổi pha rắn này có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền của mối hàn.
Hợp kim SnCu0.7 (hay còn ký hiệu là Sn0.7Cu), thành phần hóa học và tính chất vật lý của nó được trình bày trên Bảng 1 và Bảng 2.
Bảng 1. Thành phần hóa học của hợp kim SnCu0.7, %

Sn	Cu	Pb	Sb	Bi	Zn	Fe	Al	As	Cd
99,3	0,7±0,2	<0,01	<0,02	<0,01	<0,02	<0,02	<0,02	<0,03	<0,02

Bảng 2. Tính chất vật lý của hợp kim SnCu0.7

Điểm nóng chảy, oC	Khối lượng riêng, g/cm3	Độ cứng, HB	Độ dẫn nhiệt, M.S.K	Độ dẫn điện, %
227	7,4	9	64	16

5.1.Nguyên tắc nấu luyện hợp kim
Để nấu luyện hợp kim nói chung hay hợp kim SnCu nói riêng đều phải tuân theo nguyên tắc:
- Nồi lò phải được nung nóng sấy khô trước khi chất phôi, liệu kim loại vào lò. Phôi, liệu kim loại cũng phải đươc sấy khô trước khi cho vào nồi lò.
-Trước hết nấu chảy kim loại nền (là kim loại có % về khối lượng lớn nhất), sau đó tiếp tục cho các kim loại tạo hợp kim theo thứ tự kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, nhiệt độ bay hơi cao nạp trước; kim loại có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ bay hơi thấp nạp sau.
- Phải tiến hành nấu sao cho thời gian nấu một mẻ là ngắn nhất.
- Không để kim loại lỏng lâu trong lò tránh hấp thụ khí và cháy hao.
- Các chất phụ gia phải được dùng đúng liều lượng.
- Sau khi chảy hoàn toàn thì hợp kim lỏng phải được khuấy trộn đều, dùng thanh graphit để khuấy trộn.
- Khi ra lò phải cận thận tránh hấp thụ khí vào hợp kim lỏng.
- Tất cả thiết bị và dụng cụ dùng cho nấu luyện phải được sấy khô để đảm bảo an toàn cho người nấu luyện.

5.2. Quy trình nấu luyện
- Thiếc và đồng kim loại được tính đảm bảo tỉ lệ thành phần có trong hợp kim theo đúng mác yêu cầu sau đó được rửa sạch bằng cồn.
- Đưa nhiệt độ lò đến nhiệt độ làm việc.
- Cho thiếc vào nồi lò và để cho kim loại thiếc tan hoàn toàn.
- Cho đồng kim loại theo tính toán phối liệu vào nồi lò, khi kim loại thiếc đã chảy hết, nhiệt độ trong lò đã đạt nhiệt độ làm việc sau một khoảng thời gian ấn định trước (5, 10, 20… phút), tiến hành khuấy đều kim loại lỏng, sau đó lấy mẫu để phân tích.
- Lưu ý trong quá trình khuấy kim loại lỏng cần được khuấy đều và có thể đánh giá sơ bộ bằng cảm giác, xem đồng đã tan hết chưa.

5.3. Thử nghiệm nấu luyện - đúc hợp kim thiếc hàn không chì
Từ những kết quả thí nghiệm, nhóm thực hiện đã lựa chọn quy trình như hình dưới và các chế độ công nghệ nấu luyện hợp kim thiếc hàn hệ SnCu07 dự kiến như sau:
- Nhiệt độ nấu luyện: 400^oC.
- Thời gian: 10 phút.
- Khuấy trộn khi nấu hợp kim.
- Chất che phủ bề mặt: Không che phủ.
- Nhiệt độ khuôn rót hợp kim: 100-150^oC.