Template assisted manufacturing of low-temperature copper-based nano solder

Abstract

As a response to new legislation and calls to lead-free technologies, a method is proposed to manufacture nano-copper by means of electroless copper plating on nanofibers templates. Polyacrylonitrile (PAN) nanofibers were prepared by electrospinning solutions of said polymer and dimethylformamide. The fibers were cleaned, etched and activated using chemical solutions for subsequent copper deposition. The coating solution was found to properly reduce copper when maintained at a pH of 11-12. SEM and optical characterization revealed copper deposited on the fibers making a 250 nm layer around the 500 nm nanofibers. A melting point range for the manufactured nano-copper was determined by heating samples at different temperatures in a high temperature oven. Results showed how first the copper on the nanofiber melts at around 600°C and complete melting of the copper occurs at 800°C. Once the melting temperature range was determined, samples were prepared for mechanical testing. Copper strips were soldered together with the nano-copper in the oven and tested on a tensile strength tester. Specimens failed at loads of 10-60 N, showing to have appropriate mechanical properties for solder applications.

Como respuesta a la nueva legislación y las llamadas a tecnologías libres de plomo, se propone un método para la fabricación de nano-cobre por medio de deposición química de cobre y el uso de nanofibras como plantillas. Nanofibras de poliacrilonitrilo (PAN) fueron preparados por ‘electrospinning’ utilizando soluciones de dicho polímero y dimetilformamida. Las fibras fueron limpiadas, grabadas y activadas usando soluciones químicas para luego ser recubiertas con cobre. La solución de recubierta reducía el cobre apropiadamente al mantener el pH entre 11-12. Caracterización óptica y en el SEM demostró que se formaba una capa de cobre con un espesor de 250 nm alrededor de las fibras de 500 nm. Un intervalo de punto de fusión para el manufacturado nano-cobre se determina mediante el calentamiento de las muestras a diferentes temperaturas en un horno de alta temperatura. La experimentación mostró cómo primero el cobre en la nanofibra funde a alrededor de 600 ° C y de fusión completa del cobre se produce a 800 °C. Una vez que el rango de temperatura de fusión es determinado, las muestras se prepararon para el ensayo mecánico. Tiras de cobre fueron soldadas entre sí con el nano-cobre en el horno y probado en un probador de esfuerzo en tensión. Las muestras aguantaron cargas de 10 a 60 N, lo cual muestra propiedades mecánicas apropiadas para aplicaciones en soldadura.