Nuove tecniche di giunzione per l’elettronica grazie ai nanoeffetti

L’EMPA in Svizzera è un’istituzione leader nello studio dei punti di contatto fra transistor e chip sempre più piccoli, complessi e potenti

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 come il “Nanojoining”, che utilizzano particelle metalliche o altri materiali innovativi per migliorare le prestazioni delle giunzioni.

Per le giunzioni metalliche, l’EMPA sta studiando nuovi materiali basati su nanoparticelle. La saldatura è un processo ben noto, ma l’uso di nanoparticelle consente una maggiore precisione e un miglioramento delle proprietà meccaniche e termiche dei giunti. Con queste nuove tecniche, i ricercatori mirano a superare i limiti delle tecniche di saldatura tradizionali e a sviluppare soluzioni più avanzate per le sfide moderne della microelettronica.

Se la dimensione dei componenti elettronici continua a ridursi, anche la dimensione dei giunti deve essere ottimizzata per mantenere l’integrità e la funzionalità dei dispositivi elettronici avanzati.

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Un approccio sostenibile con le nanoparticelle

Nel contesto delle applicazioni elettroniche, l’EMPA si concentra su approcci innovativi che utilizzano nanoparticelle per migliorare le prestazioni dei giunti. I materiali a base di nanoparticelle offrono vantaggi significativi, come una maggiore superficie di contatto e una migliore conducibilità termica, che sono fondamentali per affrontare le sfide della miniaturizzazione e della potenza crescente dei componenti elettronici.

Il lavoro dell’EMPA rappresenta una parte cruciale dell’evoluzione della microelettronica, dimostrando come le tecnologie di giunzione possono essere avanzate attraverso l’uso di nanoparticelle e altri materiali innovativi. Questi sviluppi non solo rispondono alle esigenze dell’industria, ma contribuiscono anche a un futuro più sostenibile e performante per la tecnologia elettronica.