Nuove tecniche di giunzione per l’elettronica grazie ai nanoeffetti

I componenti elettronici stanno diventando sempre più piccoli, complessi e potenti, il che richiede nuove soluzioni per la loro giunzione.
Un team dell’EMPA sta sviluppando materiali di giunzione nanostrutturati per la prossima generazione della microelettronica e altre innovative applicazioni impegnative.
Le nanoparticelle potrebbero essere l’ulteriore rivoluzione che il mondo si aspetta.

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La profezia di Gordon Moore del 1965: ogni due anni, un raddoppio dei componenti

Gordon Moore aveva ragione. Nell’aprile del 1965, l’ingegnere statunitense, poi cofondatore della Intel, aveva previsto che il numero di transistor su un chip sarebbe raddoppiato ogni due anni circa.
Ancora oggi, questo sviluppo continua quasi alla stessa velocità, anche perché i produttori di chip di tutto il mondo utilizzano la Legge di Moore come base per la loro pianificazione strategica. Pertanto, “la profezia si autoavvera”, come direbbero i sociologi.
Ma il raddoppio del numero di circuiti ogni due o tre anni raggiunge talvolta i limiti della fattibilità tecnica.
Questo vale anche per le tecnologie di giunzione, che devono tenere il passo con l’aumento delle richieste.
Dopotutto, i componenti elettronici sempre più piccoli e potenti devono essere integrati in sistemi più grandi e le giunzioni che collegano i componenti ai dissipatori di calore o alle schede dei circuiti non devono staccarsi durante gli sbalzi di temperatura o le vibrazioni, né surriscaldarsi durante il funzionamento.
Un team guidato da Jolanta Janczak-Rusch e Bastian Rheingans del Laboratory for Joining Technologies and Corrosion dell’EMPA sta affrontando questo problema.

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I bisogni dell’industria? Poter combinare miniaturizzazione e aumento delle prestazioni

“I nostri partner e clienti, per i quali sviluppiamo soluzioni personalizzate, vogliono sempre di più, e preferibilmente tutto contemporaneamente”, dice Janczak-Rusch.
Un giunto per un nuovo componente elettronico ad alte prestazioni, ad esempio, deve essere realizzato alla temperatura più bassa e “delicata” possibile, ma deve anche resistere alle temperature più elevate quando il componente è in funzione e dissipare in modo efficiente il calore residuo dai componenti.
Questo è l’unico modo per combinare miniaturizzazione e aumento delle prestazioni, senza aumentare il costo del raffreddamento all’infinito.
Anche altre tecnologie avanzate come la fotonica, la tecnologia dei sensori, i viaggi nello spazio, le batterie e la costruzione di turbine dipendono da concetti di giunzione innovativi.

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Dalla Saldatura o brasatura alle nanoparticelle per una rinnovata disciplina scientifica

Nella Saldatura o Brasatura, i materiali di base sono uniti dalla fusione di un materiale aggiuntivo, che è la lega di riempimento per la Saldatura/Brasatura.
I pezzi da lavorare non vengono fusi durante il processo. Fino a 450 Celsius si parla di saldatura, mentre oltre i 450 gradi centigradi si parla di brasatura.
A differenza della brasatura, nella saldatura i pezzi sono parzialmente fusi e vengono uniti immediatamente dopo il raffreddamento.
Spesso si introducono materiali d’apporto nel cordone di saldatura per aumentare la quantità di metallo fuso.
La nanogiunzione è una nuova disciplina scientifica, ben padroneggiata dall’EMPA in Svizzera.
Essa comprende tecniche di giunzione per unire nano-oggetti, ma anche nuovi processi di giunzione ad alte prestazioni che utilizzano i nano-effetti.
Il Laboratorio Federale di Prova dei Materiali e di Ricerca, con sedi a Thun, San Gallo e Dübendorf, è uno dei principali attori di questa nuova disciplina, nonché membro fondatore e sede della Nano- & Microjoining International Association.

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Le nanoforme d’argento, a differenza del metallo, utilizzabili a “soli” 250 gradi Celsius

Sono quindi necessari nuovi materiali e processi per soddisfare le richieste di giunzione sempre più complesse.
In questa situazione, la giunzione con nanomateriali, la cosiddetta nano-giunzione, offre un grande potenziale.
L’industria utilizza già le nanoforme d’argento, ossia materiali di giunzione costituiti da nanoparticelle d’argento.
Il vantaggio: mentre il punto di fusione dell’argento puro è di 962 gradi Celsius, le nanoforme d’argento possono essere applicate per produrre giunti altamente conduttivi dal punto di vista elettrico e termico a temperature di soli 250 gradi Celsius.
Ancora meglio: una volta prodotti, questi giunti possono persino resistere a una temperatura di esercizio superiore a quella di produzione.

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Sinterizzazione al posto delle saldature per ridurre l’energia di superficie degli strati

Questa soluzione innovativa è frutto del know-how della scienza dei materiali.
“Qui stiamo sostituendo il classico processo di saldatura con un processo di sinterizzazione”, spiega Rheingans.
Ciò significa che le particelle nella zona di giunzione non vengono fuse, ma crescono insieme in particelle e grani più grandi per diffusione, riducendo così la loro energia superficiale.
La diffusione, cioè il movimento di singoli atomi, è molto rapida in corrispondenza di superfici e interfacce.
Poiché le nanoparticelle hanno un’area superficiale estremamente ampia rispetto al loro volume, la sinterizzazione è particolarmente pronunciata su scala nanometrica e può essere sfruttata anche a temperature relativamente basse.
Nel caso di nanoparticelle molto piccole o di sottili nanostrati, la quantità di atomi di superficie “liquidi”, che si muovono facilmente, diventa così grande che il punto di fusione può scendere di diverse centinaia di gradi al di sotto del punto di fusione del materiale solido.
I ricercatori chiamano questo effetto MPD (“Melting Point Depression”) e lo utilizzano per sviluppare processi di giunzione innovativi ed efficienti.

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“Stiamo lavorando su nanoforme con più componenti per ottimizzare le proprietà del composto di giunzione e per aprire nuove aree di applicazione”, spiega Rheingans.
“Per esempio, stiamo studiando combinazioni di nanopaste di rame e nichel”.
Questi metalli sono meno costosi dell’argento e presentano proprietà elettriche e termiche molto interessanti, ma essendo metalli meno nobili si ossidano molto più facilmente. Questo deve essere evitato nel processo di giunzione.
“Perciò mettiamo le nanoparticelle in una pasta di coadiuvanti organici che evaporano durante il processo di giunzione e riducono l’ossido sulla superficie delle particelle. Oppure copriamo le particelle con un rivestimento protettivo”, spiega il ricercatore dell’EMPA.
Utilizzando speciali metodi analitici come la Diffrazione ai Raggi X (XRD) o la Spettroscopia di Fotoelettroni a Raggi X (XPS), i ricercatori possono verificare se il metodo postulato per proteggere le nanoparticelle funziona come previsto.
Ma l’innovazione è possibile anche con la ben nota nanopasta d’argento: “In un progetto di ricerca dell’EMPA per lo sviluppo di membrane di ossido per la microelettronica, siamo stati in grado di supportare efficacemente i nostri colleghi con il nostro know-how”.
“Utilizzando la nanopasta, abbiamo potuto trasferire le membrane ultrasottili su un substrato portante senza introdurre alcun danno”, afferma Rheingans.
Questo metodo potrebbe essere applicato anche ad altri materiali 2D.

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Un forno su scala nanometrica, grazie alle lamine reattive come fonte locale di calore

Per i componenti particolarmente sensibili alla temperatura, i ricercatori dispongono di un altro metodo di nano-giunzione che stanno continuamente sviluppando: la cosiddetta giunzione reattiva.
In questo processo, le lamine reattive sostituiscono il forno di saldatura come fonte locale di calore.
Le lamine sono costituite da un gran numero di singoli nanostrati, ad esempio di nichel o alluminio.
Quando questi nano-strati vengono incendiati, il nichel e l’alluminio reagiscono e formano un nuovo composto chimico.
Lo fanno rilasciando una grande quantità di calore che aziona il processo e lo fa viaggiare a velocità fino a 50 metri al secondo sull’intera lamina.
Soltanto spessori di strato nell’ordine dei nanometri consentono una reazione così veloce e auto-perpetuantesi.
Localmente si possono raggiungere temperature fino a 1000 gradi centigradi, ma grazie al basso spessore della lamina reattiva la quantità totale di calore rimane ridotta e limitata agli strati di saldatura adiacenti.
In questo modo, gli elementi elettronici sensibili possono essere fissati delicatamente e saldamente ai dissipatori di calore in rame.

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Un ritorno di fiamma per le leghe di rame, argento, argento-rame o alluminio-silicio

Negli ultimi anni, un’importante attenzione è stata rivolta allo sviluppo di sistemi nanostrato a partire dai classici metalli/leghe d’apporto per la brasatura, come rame, argento, argento-rame o alluminio-silicio.
“Grazie all’abbassamento del punto di fusione e alla rapida diffusione su scala nanometrica, questi materiali di incollaggio offrono la possibilità di eseguire processi di giunzione molto più rapidi e a temperature significativamente inferiori rispetto alle tecniche di brasatura convenzionali”, spiega ancora Janczak-Rusch.
I nanomultistrati possono essere utilizzati anche in altri punti del processo di giunzione.

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Nanostrati per combattere l’accumulo di calore, provati nella missione JUICE dell’ESA

Con il progetto recentemente approvato dalla SNF-NCN Lead Agency “Development of submicro- and nanostructured Cu-Mo composites with tailored properties for thermal management” (in italiano, “Sviluppo di compositi Cu-Mo submicro e nanostrutturati con proprietà personalizzate per la gestione termica”), il team di Advanced Joining Technologies sta affrontando lo scottante problema della dissipazione del calore nei componenti elettronici miniaturizzati.
“Le interessanti proprietà dei compositi di rame-molibdeno sono già state utilizzate nella progettazione di una sorgente di ioni per la missione JUICE dell’Agenzia Spaziale Europea“, afferma Hans Rudolf Elsener, ricercatore dell’EMPA specializzato in missioni spaziali.
Insieme ai ricercatori polacchi, ora si studierà nello specifico il potenziale dei sistemi multistrato nanostrutturati Cu-Mo come dissipatori di calore e si svilupperanno processi di giunzione adatti alla loro integrazione.

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