Jaunas savienošanas tehnikas elektronikai, pateicoties nanoefektiem

Elektroniskie komponenti kļūst arvien mazāki, sarežģītāki un jaudīgāki, un to savienošanai ir nepieciešami jauni risinājumi.
Komanda noEMPA izstrādā nanostrukturētus savienošanas materiālus nākamās paaudzes mikroelektronikai un citiem inovatīviem un prasīgiem lietojumiem.
Nanodaļiņas varētu būt nākamā revolūcija, ko pasaule sagaida.

Šveices Ecowork Space elektronisko atkritumu pārstrādei

Gordona Mūra 1965. gada pareģojums: ik pēc diviem gadiem komponentu dubultošana

Gordonam Mūram bija taisnība. 1965. gada aprīlī amerikāņu inženieris, vēlāk līdzdibinātājs Intelprognozēja, ka tranzistoru skaits mikroshēmā dubultosies aptuveni ik pēc diviem gadiem.
Pat šodien šī attīstība turpinās gandrīz tādā pašā tempā, jo īpaši tāpēc, ka mikroshēmu ražotāji visā pasaulē izmanto Mūra likumu kā stratēģiskās plānošanas pamatu. Tāpēc, kā teiktu sociologi, "pravietojums piepildās".
Bet ķēžu skaita dubultošana ik pēc diviem vai trim gadiem dažkārt sasniedz tehniskās iespējas.
Tas attiecas arī uz savienošanas tehnoloģijām, kurām ir jāiet kopsolī ar pieaugošajām prasībām.
Galu galā arvien mazāki un jaudīgāki elektroniskie komponenti ir jāintegrē lielākās sistēmās, un savienojumi, kas savieno komponentus ar siltuma izlietnēm vai shēmas platēm, nedrīkst atslābt temperatūras izmaiņu vai vibrāciju laikā vai sakarst darbības laikā.
Komanda, kuru vada Jolanta Jančaka-Rušša e Bastians Rheingans Savienošanas tehnoloģiju un korozijas laboratorijasEMPA saskaras ar šo problēmu.

Saikne starp mobilajiem tālruņiem un ilgtspējīgu attīstību globālā mērogā

Nozares vajadzības? Spēja apvienot miniaturizāciju un palielinātu veiktspēju

“Mūsu partneri un klienti, kuriem mēs izstrādājam pielāgotus risinājumus, vienmēr vēlas vairāk un vēlams visu vienlaikus”, saka Jančaks-Rušs.
Savienojums jaunam augstas veiktspējas elektroniskajam komponentam, piemēram, jāizgatavo zemākajā temperatūrā, e "delikāts" iespējams, bet tai ir arī jāiztur augstākās temperatūras, kad komponents darbojas, un efektīvi jāizkliedē atlikušais siltums no komponentiem.
Tas ir vienīgais veids, kā apvienot miniaturizāciju un palielinātu veiktspēju, bezgalīgi nepalielinot dzesēšanas izmaksas.
Citas progresīvas tehnoloģijas, piemēram, fotonika, sensoru tehnoloģijas, kosmosa ceļojumi, akumulatori un turbīnu konstrukcija, arī ir atkarīgas no novatoriskām savienošanas koncepcijām.

Gaismas pārslēdzami tranzistori, pateicoties "caurspīdīgajiem oksīdiem"?

No metināšanas vai lodēšanas līdz nanodaļiņām atjaunotai zinātnes disciplīnai

Metināšanas vai cietlodēšanas laikā pamatmateriāli tiek savienoti, sakausējot papildu materiālu, kas ir pildvielas sakausējums metināšanai/lodēšanai.
Procesa laikā sagataves netiek izkusušas. Līdz 450 grādiem pēc Celsija mēs runājam par metināšanu, savukārt virs 450 grādiem pēc Celsija mēs runājam par cietlodēšanu.
Atšķirībā no lodēšanas, metināšanas laikā gabali ir daļēji izkusuši un tiek savienoti uzreiz pēc atdzesēšanas.
Lai palielinātu izkausētā metāla daudzumu, metinātajā šuvē bieži tiek ievadīti pildvielas materiāli.
Nanojunction ir jauna zinātnes disciplīna, ko labi apguvusi EMPA Šveicē.
Tas ietver savienošanas paņēmienus nanoobjektu savienošanai, kā arī jaunus augstas veiktspējas savienošanas procesus, izmantojot nanoefektus.
Il Federālā materiālu testēšanas un izpētes laboratorija, kas atrodas Thun, St. Gallen un Dübendorf, ir nozīmīgs spēlētājs šajā jaunajā disciplīnā, kā arī Nano- & Microjoining International Association dibinātājs un galvenā mītne.

Tranzistori drukāti uz papīra vai PET plēves? Šveice ir gandrīz klāt…

Sudraba nanoformas, atšķirībā no metāla, lietojamas "tikai" 250 grādos pēc Celsija

Tāpēc ir nepieciešami jauni materiāli un procesi, lai apmierinātu arvien sarežģītākas savienošanas prasības.
Šajā situācijā savienošana ar nanomateriāliem, tā sauktā nano-savienošana, piedāvā lielu potenciālu.
Nozarē jau tiek izmantotas sudraba nanoformas, t.i., savienošanas materiāli, kas izgatavoti no sudraba nanodaļiņām.
Ieguvums: lai gan tīra sudraba kušanas temperatūra ir 962 grādi pēc Celsija, sudraba nanoformas var izmantot, lai izveidotu ļoti elektriski un siltumu vadošus savienojumus pat 250 grādu temperatūrā pēc Celsija.
Vēl labāk: pēc izgatavošanas šie savienojumi var pat izturēt augstāku darba temperatūru, nekā tie tika ražoti.

Šveicē atklāja materiālu, kas "atceras" tāpat kā smadzenes

Saķepināšana metināšanas vietā, lai samazinātu slāņu virsmas enerģiju

Šis novatoriskais risinājums ir materiālu zinātnes zināšanu rezultāts.
“Šeit mēs klasisko metināšanas procesu aizstājam ar saķepināšanas procesu”, skaidro Rheingans.
Tas nozīmē, ka daļiņas savienojuma zonā nesaplūst, bet difūzijas ceļā saaug lielākās daļiņās un graudos, tādējādi samazinot to virsmas enerģiju.
Difūzija, t.i., atsevišķu atomu kustība, uz virsmām un saskarnēm ir ļoti ātra.
Tā kā nanodaļiņām ir ārkārtīgi liels virsmas laukums attiecībā pret to tilpumu, saķepināšana ir īpaši izteikta nanomērogā un to var izmantot pat salīdzinoši zemā temperatūrā.
Ļoti mazu nanodaļiņu vai plānu nanoslāņu gadījumā viegli kustīgo “šķidro” virsmas atomu daudzums kļūst tik liels, ka kušanas temperatūra var pazemināties vairākus simtus grādu zem cietā materiāla kušanas temperatūras.
Pētnieki šo efektu sauc par MPD (Melting Point Depression) un izmanto to, lai izstrādātu novatoriskus un efektīvus savienošanas procesus.

"Monstrel" atbalsts kvantu materiālu pētījumiem

Sacensības turpinās, cīnoties ar lētāko vara un niķeļa metālu oksidēšanu

"Mēs strādājam pie daudzkomponentu nanoformām, lai optimizētu šuvju maisījuma īpašības un atvērtu jaunas pielietojuma jomas", skaidro Rheingans.
"Piemēram, mēs pētām vara un niķeļa nanopastu kombinācijas".
Šie metāli ir lētāki nekā sudrabs, un tiem ir ļoti interesantas elektriskās un termiskās īpašības, taču, būdami mazāk cēlmetāli, tie oksidējas daudz vieglāk. Savienošanas procesā tas ir jāizvairās.
"Tāpēc mēs ievietojām nanodaļiņas organisko palīgvielu pastā, kas savienošanas procesā iztvaiko un samazina oksīdu uz daļiņu virsmas. Vai arī mēs pārklājam daļiņas ar aizsargpārklājumu”, skaidro EMPA pētnieks.
Izmantojot īpašas analītiskās metodes, piemēram, rentgenstaru difrakciju (XRD) vai rentgena fotoelektronu spektroskopiju (XPS), pētnieki var pārbaudīt, vai postulētā nanodaļiņu aizsardzības metode darbojas, kā paredzēts.
Taču jauninājumi ir iespējami arī ar labi zināmo sudraba nanopastu: "EMPA pētniecības projektā mikroelektronikas oksīda membrānu izstrādei mēs varējām efektīvi atbalstīt savus kolēģus ar mūsu zinātību."
"Izmantojot nanopastu, mēs varējām pārnest īpaši plānās membrānas uz nesēja substrāta, neradot nekādus bojājumus."saka Rheingans.
Šo metodi var izmantot arī citiem 2D materiāliem.

Medicīniskā mikroshēma, kas drīzumā aizstās izmēģinājumus ar dzīvniekiem, ir Šveices

Nanomēroga krāsns, pateicoties reaktīvajām folijām kā vietējam siltuma avotam

Īpaši temperatūras jutīgiem komponentiem pētniekiem ir vēl viena nano savienojuma metode, ko viņi nepārtraukti izstrādā: tā sauktais reaktīvais savienojums.
Šajā procesā reaktīvās folijas aizstāj lodēšanas krāsni kā vietējo siltuma avotu.
Folijas sastāv no liela skaita atsevišķu nanoslāņu, piemēram, niķeļa vai alumīnija.
Kad šie nanoslāņi tiek aizdedzināti, niķelis un alumīnijs reaģē un veido jaunu ķīmisku savienojumu.
Viņi to dara, izdalot lielu daudzumu siltuma, kas virza procesu un liek tam pārvietoties ar ātrumu līdz 50 metriem sekundē visā loksnē.
Tikai slāņa biezums nanometru diapazonā pieļauj tik ātru, pašpastāvošu reakciju.
Lokāli var sasniegt temperatūru līdz 1000 grādiem pēc Celsija, taču, pateicoties reaktīvās folijas mazajam biezumam, kopējais siltuma daudzums paliek neliels un ierobežots līdzās esošajiem metināšanas slāņiem.
Tādā veidā jutīgus elektroniskos elementus var viegli un droši piestiprināt pie vara siltuma izlietnēm.

Miniatūrie infrasarkanie detektori integrācijai mikroshēmā

Atskats uz vara, sudraba, sudraba-vara vai alumīnija-silīcija sakausējumiem

Pēdējos gados liela uzmanība ir pievērsta nanoslāņu sistēmu attīstībai, sākot no klasiskajiem pildmetāliem/sakausējumiem lodēšanai, piemēram, varš, sudrabs, sudrabs-varš vai alumīnija-silīcija.
"Pateicoties kušanas temperatūras pazemināšanai un ātrai difūzijai nanomērogā, šie savienošanas materiāli sniedz iespēju veikt savienošanas procesus daudz ātrāk un ievērojami zemākā temperatūrā nekā parastās cietlodēšanas metodes.", vēlreiz skaidro Jančaks-Rušs.
Nanomudaudzslāņus var izmantot arī citos savienošanas procesa punktos.

Paātrinājums Šveicē pret kibernoziedzību

Nano slāņi, lai cīnītos pret siltuma uzkrāšanos, kas pierādīts ESA JUICE misijā

Ar SNF-NCN vadošās aģentūras nesen apstiprināto projektu “Submikro- un nanostrukturētu Cu-Mo kompozītmateriālu izstrāde ar pielāgotām īpašībām siltuma pārvaldībai”, Advanced Joining Technologies komanda risina aktuālo siltuma izkliedes problēmu miniaturizētos elektroniskajos komponentos.
"Vara-molibdēna kompozītu interesantās īpašības jau ir izmantotas, izstrādājot jonu avotu JUICE misijai.Eiropas Kosmosa aģentūra", viņš apgalvo Hanss Rūdolfs Elzeners, pētnieksEMPA specializējas kosmosa misijās.
Kopā ar Polijas pētniekiem tagad tiks īpaši pētīts Cu-Mo nanostrukturēto daudzslāņu sistēmu kā siltuma izlietņu potenciāls un izstrādāti piemēroti savienošanas procesi to integrēšanai.

Silikona avene, lai iemācītu robotiem tos savākt