Z nanoefektami do nowych procesów łączenia

Newswise – Gordon Moore miał rację. Amerykański inżynier, a później współzałożyciel firmy Intel, przewidział w kwietniu 1965 r., że liczba tranzystorów w chipie podwaja się mniej więcej co dwa lata. Do dziś rozwój ten przebiega prawie z taką samą szybkością – również dlatego, że producenci chipów na całym świecie wykorzystują prawo Moore’a jako podstawę planowania strategicznego. Tak więc proroctwo samo się spełnia.

Jednak podwojenie liczby obwodów co dwa, trzy lata czasami osiąga granice możliwości technicznych. Dotyczy to również technologii łączenia, które muszą sprostać rosnącym wymaganiom. W końcu coraz mniejsze i coraz mocniejsze komponenty elektroniczne nadal muszą być integrowane w większe systemy, a punkty połączeń komponentów z radiatorami lub płytkami drukowanymi nie powinny rozpaść się pod wpływem zmian temperatury lub wibracji lub przegrzania podczas pracy. Tym problemem zajmuje się zespół kierowany przez Jolantę Janczak-Rusch i Bastiana Rheingansa z Laboratorium Technologii Łączenia i Korozji firmy Empa.

branża w opłakanym stanie

„Nasi partnerzy i klienci, dla których opracowujemy rozwiązania szyte na miarę, zawsze chcą więcej, a najlepiej wszystkiego jednocześnie” – mówi Janczak-Rusch. Na przykład połączenie dla nowego wysokowydajnego komponentu elektronicznego powinno być wykonane w możliwie najniższej i najdelikatniejszej temperaturze – a jednocześnie wytrzymywać najwyższe możliwe temperatury podczas pracy i skutecznie odprowadzać ciepło odpadowe z komponentów. To jedyny sposób na połączenie miniaturyzacji i zwiększonej wydajności bez jednoczesnego zwiększania kosztów chłodzenia do nieskończoności. Inne zaawansowane technologie, takie jak fotonika, czujniki, lotnictwo, baterie i konstrukcja turbin, również zależą od innowacyjnych koncepcji łączenia.

Aby sprostać coraz bardziej złożonym wymaganiom łączenia, potrzebne są nowe materiały i procesy. W tej sytuacji łączenie za pomocą nanomateriałów, tzw. nanojoining, daje duże możliwości. Przemysł stosuje już nanopasty srebra, czyli materiały łączące składające się z nanocząsteczek srebra. Zaleta: podczas gdy temperatura topnienia czystego srebra wynosi 962 stopnie Celsjusza, nanopasty srebra mogą być używane do tworzenia połączeń o wysokiej przewodności elektrycznej i termicznej już od 250 stopni Celsjusza. Jeszcze lepiej: Po wyprodukowaniu te połączenia wytrzymują nawet temperaturę roboczą wyższą niż ich temperatura produkcyjna.

Wykorzystanie efektów nano

Za tym innowacyjnym rozwiązaniem kryje się wiele wiedzy z zakresu materiałoznawstwa. „Tutaj zastępujemy klasyczny proces lutowania procesem spiekania” — wyjaśnia Rheingans. Oznacza to, że cząstki w strefie łączenia nie topią się, ale rosną razem poprzez dyfuzję, tworząc większe cząstki i ziarna, zmniejszając w ten sposób ich energię powierzchniową. Dyfuzja, czyli ruch pojedynczych atomów, odbywa się bardzo szybko na powierzchniach i międzyfazach. Ponieważ nanocząstki mają wyjątkowo dużą powierzchnię w stosunku do swojej objętości, spiekanie jest szczególnie wyraźne w zakresie nano i może być wykorzystywane już w stosunkowo niskich temperaturach. W przypadku bardzo małych nanocząstek lub cienkich nanowarstw ilość łatwo poruszających się, „ciekłych” atomów powierzchniowych staje się tak duża, że ​​temperatura topnienia może spaść o kilkaset stopni poniżej temperatury topnienia ciała stałego. Naukowcy nazywają ten efekt MPD (obniżenie temperatury topnienia) i wykorzystują go do opracowywania innowacyjnych i wydajnych procesów łączenia.

Wyścig trwa

„Pracujemy nad nanopastami z kilkoma składnikami, aby zoptymalizować właściwości masy szpachlowej i otworzyć nowe obszary zastosowań”, mówi Rheingans. „Na przykład badamy kombinacje nanopast miedzi i niklu.” Metale te są tańsze od srebra i mają bardzo interesujące właściwości elektryczne i termiczne – ale ponieważ są metalami mniej szlachetnymi, utleniają się znacznie łatwiej. Należy temu zapobiec w procesie łączenia. „Dlatego umieściliśmy nanocząsteczki w paście z organicznych dodatków, które odparowują podczas procesu łączenia i redukują tlenek na powierzchni cząsteczki. Lub pokrywamy cząstki warstwą ochronną” – wyjaśnia badacz Empa. Dzięki specjalnym metodom analitycznym, takim jak dyfrakcja rentgenowska (XRD) czy rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS), naukowcy mogą sprawdzić, czy postulowana metoda ochrony nanocząstek działa zgodnie z założeniami.

Ale innowacja jest również możliwa dzięki dobrze znanej nanopaście srebra: „W ramach projektu badawczego Empa dotyczącego rozwoju membran tlenkowych do mikroelektroniki mogliśmy skutecznie wesprzeć naszych kolegów naszym know-how: Dzięki nanopaście mogliśmy przymocować cienkie membrany do podłoża nośnego bez powodowania uszkodzeń”, mówi Rheingans. Ten proces można również zastosować do innych materiałów 2D.

Piec w nanoskali

W przypadku elementów szczególnie wrażliwych na temperaturę naukowcy mają inny proces nanołączenia, który stale rozwijają: tak zwane łączenie reaktywne. Folie reaktywne zastępują piec lutowniczy jako lokalne źródło ciepła. Folie składają się z dużej liczby pojedynczych nanowarstw, na przykład wykonanych z niklu lub aluminium. Gdy te nanowarstwy ulegają zapaleniu, nikiel i aluminium reagują i tworzą nowy związek chemiczny – uwalniając dużo ciepła, które napędza proces i pozwala mu przemieszczać się po całej folii z prędkością do 50 metrów na sekundę. Tylko nanoskalowe grubości warstw pozwalają na tak szybką i samowystarczalną reakcję. Lokalnie można osiągnąć temperatury do 1000 stopni Celsjusza, ale ze względu na niewielką grubość folii reaktywnej całkowita ilość ciepła pozostaje niewielka i ograniczona do sąsiednich warstw lutu. W ten sposób wrażliwe elementy elektroniczne można delikatnie i pewnie przymocować do miedzianych radiatorów.

Systemy nanowarstwowe zapobiegające gromadzeniu się ciepła

Ważnym obszarem zainteresowania w ostatnich latach był rozwój nano-wielowarstwowych systemów opartych na klasycznych stopach lutowniczych, takich jak miedź, srebro, srebro-miedź czy aluminium-krzem: „Dzięki obniżeniu temperatury topnienia i szybkiej dyfuzji w nanoskali , te materiały łączące oferują możliwość łączenia procesów znacznie szybciej i przy znacznie niższych temperaturach niż w przypadku konwencjonalnych technik lutowania”, wyjaśnia Janczak-Rusch.
Nanomultilayers mogą być również wykorzystywane w innych miejscach procesu łączenia: dzięki niedawno zatwierdzonemu projektowi agencji wiodącej SNF-NCN „Development of submicro- and nanostructured Cu-Mo Composites with dostosowane property for thermal management” zespół Advanced Joining Technologies zajmuje się palącym problemem rozpraszania ciepła w zminiaturyzowanych elementach elektronicznych.

„Interesujące właściwości kompozytów miedziowo-molibdenowych wykorzystano już przy projektowaniu źródła jonów dla misji JUICE Europejskiej Agencji Kosmicznej ESA” – mówi badacz Empa Hans Rudolf Elsener, który specjalizuje się w misjach kosmicznych. Wraz z polskimi badaczami ma zostać szczegółowo zbadany potencjał nanostrukturalnych układów wielowarstwowych Cu-Mo jako radiatorów i opracowane odpowiednie procesy łączenia do ich integracji.

Słowniczek technik łączenia

Lutowanie/lutowanie: Materiały bazowe są łączone ze sobą poprzez stopienie dodatku, stopu do lutowania/lutowania twardego. Same przedmioty obrabiane nie są stopione ani stopione. Do 450 stopni Celsjusza mówi się o lutowaniu, powyżej 450 stopni o lutowaniu twardym.

Spawanie: W przeciwieństwie do lutowania, elementy obrabiane są topione i łączone natychmiast po ostygnięciu. Materiały wypełniające są często umieszczane w spoinie w celu zwiększenia ilości stopionego metalu.

Nanołączenie to nowa dyscyplina naukowa. Obejmuje techniki łączenia nanoobiektów, ale także nowatorskie, wysokowydajne procesy łączenia wykorzystujące efekty nano. Empa jest jednym z głównych graczy w tej nowej dyscyplinie, a także członkiem założycielem i siedzibą międzynarodowego stowarzyszenia Nano & Microjoining Association.