Disperse Phase Method Particle Study With Doped Nano-Particles In Sac305 Solder

Pada masa kini, kebanyakan peranti elektronik terdiri daripada komponen-komponen ultra-halus, oleh itu, untuk memastikan ketahanan yang tinggi dan kekuatan pada pemasangan ultra-halus dan komponen-komponen ini boleh mewakili cabaran besar untuk pereka produk. Banyak penyelidikan tertumpu kepada penggunaan pemateri tanpa plumbum Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) dengan pendopan zarah-nano telah diperkenalkan kepada proses pemateri ke arah peningkatan penggunaan pemateri tanpa plumbum tetapi kajian terhad kepada dapatan eksperimen. Dengan pendopan zarah-nano dalam pateri tanpa plumbum, trajektori zarah-nano sepanjand pematerian proses perlu dipantau kerana ini akan mempengaruhi pembentukan ketinggian fillet, lapisan sebatian antara logam (IMC) dan pembentukan mikro-ruang kekosongan. Interaksi dua hala yang menggunakan gabungan kaedah isipadu cecair (VOF) dan kaedah fasa partikel (DPM) telah diperkenalkan dalam kajian semasa untuk menyelidik interaksi antara zarah-halus and pateri lebur. Jenis zarah-halus yang telah didopkan dalam pateri tanpa plumbum SAC305 adalah Titanium Oksida (TiO2), Nikel Oksida (NiO), Besi (III) oksida (Fe2O3) partiekl dengan anggaran diameter ≈20nm dan pada peratus berat zarah yang berbeza iaitu 0.01, 0.05 and 0.15 wt.% pada jenis kapasitor 01005 dengan sendi ultra-halus. Kedua jenis kajian eksperimen dan simulasi dilaksanakan untuk membandingkan kesasihan model baru simulasi DPM. Keputusan yang diperoleh dari eksperimen dpat memvisualisasikan trajektori nanopartikel dengan berkesan pada akhir proses pematerian. Simulasi DPM juga mampu menunjukkan trajektori nanopartikel secara terperinci dalam keadaan pematerian haba SAC305. Di samping itu, keserasian diantara kedua-dua eksperiment dan simulasi data dapat diperoleh dalam kajian ini. Ketinggian fillet dari composite pateri juga memenuhi syarat minima untuk kapasitor jenis 01005 seperti yang ditetapkan oleh piawaian Industri Elektronik (IPC). Keputusan kajian juga menunjukkan bahawa 0.05wt% NiO nanopartikel mempunyai masa terendah bagi membentuk fillet iaitu 2.65 saat, dan 0.05wt% Fe2O3 nanopartikel mempunyai trajektori sebaran zarah yang diagihkan dengan baik. Ini mempengaruhi perencatan pembantukan mikro-ruang dan membentuk lapisan IMC yang nipis. Pendopan nanopartikel dalam SAC305 mengurangkan kebolehan pembentukan IMC yang lebih selari dengan keperluan pembentukan lapisan IMC. Seterusnya, ini menyumbang kepada kebolehbaikan pembetukan pateri yang mana menghalang mikro-ruang terbentuk disebabkan pengedaran tekanan tekanan yang tinggi memberi pengaliran cairan pembentukan pateri yang baik. Kajian interaksi dua hala model VOF dan DPM menunjukkan daya maju dengan pendekatan simulasi dalam proses pematerian component kecil dengan dopan nanopartikel dan cara alternatif ini boleh memberikan kebaikan kepada pendekatan konvensional eksperimen yang mahal. _______________________________________________________________________________________________________ Nowadays, most electronic devices consist of miniature components, therefore, to ensure high durability and strength on the assembly of these miniature joints and components can represent huge challenges to the product designer. Vast amount of researches have been concerted to the usage of nano-reinforced Sn-3.0Ag-0.5Cu (SAC305) lead free solder that is introduced to the solder paste for the improvement of the current lead free alloy but the study is limited to experimental findings only. With the inclusion of nanoparticles in the lead free solder, the trajectory of the nanoparticles throughout the soldering process needs to be monitored since it will influence the formation of the fillet height, inter-metallic compound (IMC) layer and micro-void formation. A two way interactions utilizing both volume of fluid method (VOF) and disperse phase method (DPM) are introduced in the current study to account for the interaction between both the nanoparticles and the molten solder. The nano-reinforced particles that are introduced in the SAC305 solder are titanium oxide (TiO2), nickle oxide (NiO) and Iron (III) oxide (Fe2O3) nanoparticles with an approximate diameter of ≈20nm at different weight percentages of 0.01, 0.05 and 0.15 wt.% for application to ultra-fine 01005 type capacitor. Both experimental and simulation studies were conducted to compare the validity of the new DPM based simulation. The results obtained from the experiment can effectively visualize the distribution of the nanoparticles at the end of the reflow process. The DPM simulation on the other hand is capable of showing detail trajectory of the nanoparticles as it undergoes SAC305 thermal reflow. Additionally, good agreement can be seen between both experimental and simulation data obtained for all cases of nanoparticles being used. The fillet height of the nano-reinforced solder also managed to meet the minimum requirement for 01005 capacitor as set by the Association Connecting Electronics Industries (IPC) standards. The findings also show that 0.05wt% of NiO nanoparticles has the lowest wetting time with 2.65s. Additionally, for 0.05wt% of Fe2O3, the trajectory of nanoparticles are well distributed leading to inhibition of void formation and thin IMC layer. The introduction of the nanoparticles in the SAC305 have also shown further retardation on the growth of IMC layer that is favorable since it is aligned with the main requirement of having a thin layer of IMC. Subsequently, this can contribute to good wettability of the solder and managed to inhibit micro-voids formation due to the higher pressure distribution that can promote the flow front propagation of the wetted solder. The study of two-ways interaction of both VOF and DPM models showed the viability of the simulation approach in simulating the miniature soldering process of the molten solder with nanoparticles and can provide a useful alternative to the conventional costly experimental approach