16 febbraio 2023
I componenti elettronici stanno diventando sempre più piccoli, complessi e potenti: ciò richiede nuove soluzioni per eseguirne la giunzione. Un team dell’EMPA (Laboratorio federale di prova dei materiali e di ricerca) sta ricercando materiali di giunzione nanostrutturati per la prossima generazione di microelettronica e altre applicazioni impegnative.
Nell’aprile del 1965, Gordon Moore, ingegnere statunitense e poi cofondatore di Intel, aveva previsto che il numero di transistor su un chip sarebbe raddoppiato circa ogni due anni. Ma raddoppiare il numero di circuiti ogni due o tre anni a volte rasenta i limiti di ciò che è tecnicamente possibile. Questo vale anche per la tecnologia di giunzione, che deve tenere il passo con l’aumento delle richieste. Dopo tutto, i componenti elettronici sempre più piccoli e potenti devono ancora essere integrati in sistemi più grandi senza che le giunzioni con i dissipatori di calore o i circuiti stampati vadano in pezzi durante gli sbalzi di temperatura, le vibrazioni o il surriscaldamento durante il funzionamento. Un team del Laboratory for Joining Technologies and Corrosion dell’EMPA si sta dedicando a questo compito.
L’industria in difficoltà
Un giunto di giunzione per un nuovo componente elettronico ad alte prestazioni deve, ad esempio, essere prodotto alla temperatura più bassa e delicata possibile, ma deve anche essere in grado di resistere alle temperature più elevate quando il componente è in funzione e di dissiparne efficacemente il calore residuo. Questo è l’unico modo per ottenere la miniaturizzazione e l’aumento delle prestazioni senza aumentare indiscriminatamente il costo del raffreddamento. Anche altre tecnologie future, come la fotonica, la sensoristica, i viaggi nello spazio, le batterie o la costruzione di turbine, dipendono da concetti di giunzione innovativi.
Sono quindi necessari nuovi materiali e processi per soddisfare le esigenze di giunzione sempre più complesse. La giunzione con nanomateriali, la cosiddetta nano-giunzione, offre a tal proposito 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 °C, le nanoforme d’argento possono essere utilizzate per produrre giunti altamente conduttivi dal punto di vista elettrico e termico a temperature inferiori a 250 °C. E in più, una volta prodotti, questi giunti possono persino resistere a una temperatura di esercizio superiore a quella di produzione.
Utilizzo di nano-effetti
Il classico processo di saldatura viene sostituito da un processo di sinterizzazione. Ciò significa che le particelle nella zona di giunzione non vengono fuse, ma si uniscono in particelle e grani più grossi attraverso la diffusione, riducendo così la loro energia superficiale. La diffusione, cioè il movimento di singoli atomi, avviene in modo particolarmente rapido, in corrispondenza di superfici e interfacce. Poiché le nanoparticelle hanno una superficie molto ampia rispetto al loro volume, la sinterizzazione è particolarmente pronunciata su scala nanometrica e può essere sfruttata già a temperature relativamente basse. Nel caso di nanoparticelle molto piccole o di sottili nanostrati, la proporzione 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 «depressione del punto di fusione» (melting point depression) e lo utilizzano per sviluppare processi di giunzione efficienti.
La corsa continua
I ricercatori stanno lavorando su nanopaste con diversi componenti per ottimizzare le proprietà del materiale di giunzione e aprire nuove aree di applicazione e stanno studiando combinazioni con rame e nichel. Questi metalli sono più economici dell’argento e presentano interessanti proprietà elettriche e termiche, ma essendo metalli meno nobili si ossidano molto più facilmente, un inconveniente che va evitato nel processo di giunzione. A questo scopo, le nanoparticelle vengono inserite in una pasta di sostanze ausiliarie organiche che evaporano durante il processo di giunzione e riducono l’ossido sulla superficie delle particelle, oppure le particelle vengono rivestite da una patina protettiva.
Un forno su scala nanometrica
Per i componenti particolarmente sensibili alla temperatura, i ricercatori dispongono da alcuni anni di un altro metodo di nano-giunzione che stanno costantemente sviluppando: la cosiddetta giunzione reattiva. In questo processo, le lamine reattive sostituiscono il forno di saldatura come fonte di calore locale. Esse sono costituite da un gran numero di singoli nanostrati, ad esempio di nichel e alluminio. Quando questi nano-strati vengono incendiati, il nichel e l’alluminio reagiscono e formano un nuovo composto chimico; a questo punto si sprigiona una grande quantità di calore che aziona il processo e lo fa viaggiare a velocità fino a 50 metri al secondo sull’intera superficie. Solo gli spessori di strato nell’ordine dei nanometri consentono una reazione rapida. Localmente si possono raggiungere fino a 1000 gradi centigradi, ma grazie al basso spessore della pellicola reattiva, la quantità totale di calore generata rimane ridotta e limitata agli strati di saldatura adiacenti. In questo modo, anche gli elementi elettronici più sensibili possono essere applicati delicatamente e saldamente ai dissipatori di calore in rame.