Semiconductor Research Corporation (SRC) en onderzoekers van Stanford University hebben een nieuwe combinatie van elementen ontwikkeld die een uniek nanostructuurmateriaal voor verpakkingen oplevert. Deze vooruitgang zou een langere levensduur van halfgeleiderapparaten mogelijk moeten maken, terwijl de kosten lager zijn dan de huidige state-of-the-art materialen. Naast chipfabrikanten, verschillende andere industrieën zouden ook een grotere productefficiëntie kunnen behalen door gerelateerde thermische energiebeheertechnologie.

Voor halfgeleiders, de verbetering zal komen in de vorm van verpakkingen voor apparaten. momenteel, fabrikanten moeten vertrouwen op kleine pinnen of dik soldeer om delen van de halfgeleider te verbinden om het apparaat te laten presteren. Echter, huidige soldeermaterialen hebben de neiging om af te breken en te falen als gevolg van hitte en mechanische belasting. Om de schaalvergroting van geïntegreerde schakelingen voort te zetten, SRC en Stanford hebben materialen onderzocht die een hoge thermische connectiviteit bieden - vergelijkbaar met koper - met de flexibele compliantie van schuim. Het antwoord is gecreëerd door een nanogestructureerde thermische tape die warmte geleidt als een metaal, terwijl de aangrenzende materialen kunnen uitzetten en samentrekken bij temperatuurveranderingen (metalen zijn te stijf om dit toe te staan). Dit vermogen om chiptemperaturen te verlagen en toch compliant te blijven, is een belangrijke doorbraak voor elektronische verpakkingen.

“Een groot obstakel voor het verbeteren van de prestaties van moderne chips zijn hotspots, of millimetergrote gebieden van hoge energieopwekking. Deze vooruitgang in nanogestructureerde materialen en methoden zal ons in staat stellen deze plekken beter te koelen en dient als een belangrijke factor voor verdichting van computercircuits, ” zei professor Ken Goodson, hoofdonderzoeker voor SRC aan de Stanford University. "Dit kan verpakkingen helpen om aan de eisen van de wet van Moore te voldoen."

Bij het aanpakken van de uitdagingen van miniaturisering, de eerste verdedigingslinie voor hotspots is het interfacemateriaal. Met bijna twee decennia van geavanceerd onderzoek en simulaties voor problemen op verpakkingsniveau - grotendeels gefinancierd door SRC - kwam het Stanford-team uiteindelijk tot hun unieke combinatie van bindmiddelmaterialen die koolstofnanobuisjes omringen. Deze innovatie zal naar verwachting de hoogste thermische geleiding en het meest gewenste niveau van elasticiteit van alle bekende verpakkingsoplossingen mogelijk maken.

“Onderzoekers houden ervan om bruikbare materialen en structuren te creëren die we nog nooit eerder hebben gezien, en deze nieuwe thermische nanotape zorgt voor een revolutie in het koellichaamcontact van de chip, " zei Jon Candelaria, directeur Interconnect en Verpakkingswetenschappen bij SRC. “In plaats van te moeten vertrouwen op de eigenschappen van slechts één enkel materiaal, deze combinatie geeft de industrie van geïntegreerde schakelingen een kans om ernstige prestatiebeperkingen te omzeilen en de verpakking te blijven verbeteren zonder extra kosten.”

Hoewel het onderzoek werd gefinancierd door leden van SRC om computerchips te verbeteren, Ook in andere industrieën stijgt de vraag naar toepassingen van dit soort thermische interfaces. Bijvoorbeeld, verschillende autogerelateerde bedrijven hopen elektrische stroom terug te winnen uit hete uitlaatgassen in auto's en vrachtwagens met behulp van thermo-elektrische energieomzetters - waardoor een lager brandstofverbruik mogelijk is - maar betrouwbare interfaces zijn een probleem voor deze technologie. Professor Goodson leidt een grote subsidie ​​van de National Science Foundation-Department of Energy Partnership on Thermo-electric Devices for Vehicle Applications, met als doel het door het SRC gefinancierde interfacewerk over te dragen aan voertuigen.

Patenten voor de technologie zijn in behandeling. De volgende stap in het onderzoek is het in licentie geven van de nieuwe methoden en materialen aan geavanceerde thermische interfacebedrijven voor perfectie van de toepassing. Eind 2014 zullen naar verwachting eindgebruikers profiteren van de technologie.