Bridging the Thermal Gap: Ag-MWCNT Reinforced Silver Paste as an Interfacial Interconnect for High-Power Electronic Packaging

تصبح الإلكترونيات الحديثة أصغر حجماً وأكثر قوة، حيث تدمج طاقة هائلة في مساحات ضئيلة. ويجلب هذا التقدم مشكلة مستعصية: الحرارة. فعندما تعمل شريحة كمبيوتر أو جهاز عالي القدرة، فإنها تولد حرارة شديدة يجب إبعادها بسرعة، وإلا سيتعطل الجهاز. ولحل هذه المشكلة، يستخدم المهندسون مواد خاصة لمد جسر بين الشريحة الساخنة وقطعة معدنية أبرد مصممة لسحب الحرارة بعيداً. ومع ذلك، حتى عندما يتم ضغط هذين السطحين معاً، فإنهما لا يكونان أملسين تماماً على المستوى المجهري؛ إذ تحبس الفجوات الصغيرة والنقاط الخشنة الهواء، الذي يعمل كبطانية تعيق تدفق الحرارة. وهذا يخلق عنق زجاجة، مما يمنع الجهاز من التبريد بكفاءة. لسنوات، بحث العلماء عن طريقة لملء هذه الفجوات المجهرية بمادة تنقل الحرارة بشكل أفضل من المعادن نفسها، آملين في إطلاق العنان للإمكانات الكاملة للجيل القادم من الإلكترونيات.

لقد طور باحثون في جامعة شنغهاي نهجاً جديداً لهذه المشكلة من خلال ابتكار معجون متخصص يعمل كجسر حراري. بدأوا بقاعدة من معجون الفضة النانوية، وهي مادة مكونة من جزيئات فضة دقيقة يمكن دمجها معاً عند درجات حرارة منخفضة لتشكيل طبقة صلبة موصلة. وبينما تعد الفضة ممتازة في نقل الحرارة، إلا أن المعجون وحده لا يزال يعاني من العيوب المجهرية بين مصدر الحرارة وسطح التبريد. ولإصلاح ذلك، أدخل الفريق مكوناً ثانياً: أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران. وهي هياكل دقيقة تشبه الأنابيب مصنوعة من ذرات الكربون، وتشتهر بقدرتها على نقل الحرارة بكفاءة عالية. ومع ذلك، فإن مجرد خلط هذه الأنابيب في المعجون يؤدي إلى تكتلها، مما يعيق تدفق الحرارة بدلاً من المساعدة فيه.

ولحل مشكلة التكتل، قام الباحثون أولاً بمعالجة أنابيب الكربون النانوية بمزيج من الأحماض القوية والاهتزازات فوق الصوتية. عالجت هذه العملية الأنابيب وأضافت مجموعات كيميائية صغيرة إلى أسطحها، مما جعلها أكثر قدرة على الترابط. ثم قاموا بتغطية هذه الأنابيب المعالجة بجسيمات نانوية من الفضة، أي "إلباس" أنابيب الكربون سترة من الفضة. وقد خدم هذا التزيين غرضين: الحفاظ على الأنابيب من الالتصاق ببعضها البعض، وخلق رابط كيميائي قوي بين أنابيب الكربون ومعجون الفضة عند تسخينهما معاً. واختبر الفريق كميات مختلفة من هذه الأنابيب المغلفة بالفضة، وخلطوها في المعجون بكميات متفاوتة لإيجاد التوازن المثالي.

أظهرت النتائج أن إضافة هذه الأنابيب المعززة حسنت بشكل كبير قدرة المادة على نقل الحرة. فعندما احتوى المعجون على خمسة بالمائة من هذه الأنابيب المغلفة بالفضة من حيث الوزن، وصلت قدرته على توصيل الحرارة إلى قيمة ذروة بلغت 10.16 واط لكل متر-كلفن. ويمثل هذا تحسناً هائلاً، بنسبة زيادة قدرها 175 بالمائة مقارنة بمعجون الفضة العادي بدون أي أنابيب. وقد عملت طبقة الفضة على الأنابيب كـ "مصافحة آمنة" بين هيكل الكربون ومصفوفة الفضة، مما سمح للحرارة بالانتقال بسهء من مادة إلى أخرى دون أن تتعثر عند الحدود.

ومع ذلك، فإن قصة الأداء الأفضل تعتمد على مكان استخدام المادة. فعندما طبق الباحثون هذا المعجون لربط غشاء الجرافين — وهو ورقة كربون رقيقة ثنائية الأبعاد معروفة بتوصيلها الحراري العالي — بقاعدة نحاسية، تغيرت الكمية المثالية للتعزيز. في هذا الإعداد المحدد، أدت إضافة واحد بالمائة فقط من الأناب المغلفة بالفضة إلى تقليل المقاومة الكلية لتدفق الحرارة بنسبة 59 بالمائ %، مما خفضها إلى مستوى منخفض جداً. ويشير هذا إلى أنه بينما تجعل التركيزات الأعلى من الأنابيب المعجون نفسه موصلاً أفضل، فإن الكمية الأقل تكون أفضل في تنعيم الواجهة بين مادتين مختلفتين. فقد عملت الأنابيب في هذا التركيز المنخفض كجسور صغيرة، تمتد عبر الفجوات المجهرية بين جزيئات الفضة والأسطح المعدنية لإنشاء مسار مستمر لانتقال الحرارة.

كما درست الدراسة مدى قوة هذه الاتصالات الجديدة. فالمعجون الذي يحتوي على واحد بالمائة من الأنابيب المغلفة بالفضة لم يكن أفضل في نقل الحرارة فحسب، بل كان أيضاً أقوى من الناحية الميكانيكية؛ حيث استطاع تحمل قوة قص تبلغ 23.36 ميجاباسكال قبل الانكسار، وهو أمر أعلى بكثير من معجون الفضة العادي. ويشير هذا إلى أن الأنابيب ساعدت في تماسك الهيكل بشكل أوثق. ومع ذلك، كان لإضافة الكثير من الأنابيب تأثير عكسي؛ فعندما وصلت الكمية إلى عشرة بالمائ %، بدأت الأنابيب في التكتل مرة أخرى، مما خلق نقاط ضعف وشقوق في المادة. وتسبب هذا في انخفاض حاد في كل من التوصيل الحراري والقوة الميكانيكية، مما يثبت أن هناك حداً دقيقاً لكمية التعزيز التي يمكن إضافتها قبل أن تصبح المادة معيبة.

يقدم هذا العمل مساراً واضحاً للمضي قدماً في إدارة الحرارة في التغليف الإلكتروني المتقدم. فمن خلال الضبط الدقيق للكيمياء السطحية لأنابيب الكربون والتحكم في كمية إضافتها إلى معجون الفضة، يمكن للمهندسين إنشاء مواد تملأ الفجوات المجهرية بين المكونات بشكل أكثر فعالية من أي وقت مضى. ويؤكد البحث أن مفتاح إطلاق العنان للإدارة الحرارية عالية الأداء لا يكمن فقط في المواد نفسها، بل في كيفية تحضيرها ودمجها لضمان عملها معاً بسلاسة.