В компании Lockheed Martin (США) разработан поистине революционный припой для создания электрических межконтактных соединений, который может применяться при температурах около 200˚C. Для сравнения: рабочая температура традиционного оловянного припоя равна 183 ˚C.

Новый припой, получивший коммерческое название CuantumFuse, позволяет получать соединения с электрической и термической проводимостью, которые в 10 раз превышают показатели привычного оловянного материала.

До сих пор для снижения температуры плавления оловянного припоя в его состав добавлялся ещё и свинец (самый распространённый эвтектический сплав имеет формулу Sn₆₃Pb₃₇ и обозначается как 63/37 «у них» и ПОС64 «у нас»; температура его плавления — 183 ˚C). Стоит ли говорить об огромном риске для здоровья, возникающим в случае частого или промышленного использования такого материала… Отвечая на угрозу, Европейское сообщество, а также некоторые штаты и отдельные города США объявили себя зонами, свободными от свинец-содержащего припоя. Правда, громкие слова пришлось немедленно подкрепить разработкой альтернативного материала, который мог бы по плавкости, проводимости и пр. заменить традиционный припой.

В результате на свет появился сплав, представляющий собой комбинацию сразу трёх металлов — олова, серебра и меди (Sn/Ag/Cu, эвтектическая точка плавления — 217 ˚C). Он снискал определённую популярность в сегменте потребительской электроники, где продукция характеризуется относительно коротким временем жизни и мягкими условиями эксплуатации (без агрессивных сред и высоких/низких температур и температурных перепадов). Но всех удовлетворить не смог.

• Во-первых, из-за высокой цены самого материала (около 20% серебра).
• Во-вторых, в силу повышенной температуры плавления, что увеличивает себестоимость продукции.
• В-третьих, он не слишком надёжен, ведь возникновение трещин и разломов не редкость для относительно хрупких интерметаллидов олова (особенно при температурных перепадах). Наконец, сплавы с высоким содержанием олова склонны образовывать так называемые оловянные усы, вызывающие короткие замыкания в электрических схемах.

Всё это очень сильно ограничивает возможности применения существующих бессвинцовых припоев.

Рис. 1. Альфред Зин (Alfred Zinn), ведущий разработчик нанотехнологичного припоя (фото Lockheed Martin).

Проанализировав ситуацию и оценив бесперспективность оловянных сплавов (много их было, выше мы рассмотрели только самые удачные), материаловеды Lockheed Martin пошли другим путём. Тем более что им приходится думать в первую очередь не о потребительской электронике (где «и так сойдёт»), а о космосе и военных технологиях. Представьте себе замыкание в бомбе, ракете, радаре; подумайте, к чему приведёт распад припоя в стартующей МБР…

Вместо того чтобы создавать очередной мультикомпонентный эвтектический сплав, учёные воспользовались хорошо известным эффектом резкого снижения температуры плавления материала при переходе от макроскопического состояния к наноразмерному.

Изменения могут достигать нескольких сотен градусов и объясняются необычайно высоким соотношением площади поверхности к объёму в случае наноматериалов (что приводит к изменению термодинамики кристаллического состояния). Этот интересный феномен позволил создать пасту-припой на основе чистой меди: наночастицы меди заключены в некоторую вязкую основу, основное назначение которой — сохранение наноструктурности меди.

Медь была выбрана по многим довольно очевидным причинам. В первую очередь это, конечно, высокая химическая стабильность и прочность, а также низкая стоимость (подкреплённая простотой синтеза самих наночастиц). Медь в четыре раза дешевле олова, в 100 раз — серебра и более чем в 10 тыс. раз — такого легкоплавкого металла, как индий. Кроме того, она весьма равномерно и широко распространена в природе и обладает как минимум десятикратно более высокой электронной и термической проводимостью, чем оловянные припои.

Наконец, значительная часть электронных схем и так уже использует медные проводники, поэтому применение медного припоя позволит получить дополнительные электрические преимущества и повышенную стабильность.

Да, к тому же медь не трескается и не ломается. И усов не образует!