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

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स छोटे और अधिक शक्तिशाली होते जा रहे हैं, जो बहुत कम जगह में अत्यधिक ऊर्जा को समाहित कर लेते हैं। यह प्रगति एक जिद्दी समस्या लेकर आती है: गर्मी। जब एक कंप्यूटर चिप या कोई उच्च-शक्ति वाला उपकरण काम करता है, तो वह तीव्र ऊष्मा उत्पन्न करता है जिसे तेजी से दूर किया जाना चाहिए, अन्यथा उपकरण विफल हो जाएगा। इसे हल करने के लिए, इंजीनियर विशेष सामग्रियों का उपयोग करते हैं जो गर्म चिप और एक ठंडे धातु के टुकड़े के बीच के अंतर को पाटती हैं, जिसे गर्मी को दूर ले जाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। हालाँकि, भले ही इन दोनों सतहों को आपस में दबाया जाता है, वे सूक्ष्म स्तर पर कभी भी पूरी तरह से चिकनी नहीं होती हैं। सूक्ष्म अंतराल और खुरदरे स्थान हवा को फँसा लेते हैं, जो एक कंबल की तरह कार्य करता है, जिससे ऊष्मा का प्रवाह रुक जाता है। यह एक बाधा उत्पन्न करता है, जो उपकरण को कुशलतापूर्वक ठंडा होने से रोकता है। वर्षों से, वैज्ञानिक इन सूक्ष्म अंतरालों को ऐसी सामग्री से भरने का तरीका खोज रहे हैं जो धातुओं की तुलना में बेहतर ऊष्मा का संचालन कर सके, इस उम्मीद में कि अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स की पूर्ण क्षमता को अनलॉक किया जा सके।

शंघाई विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक विशेष पेस्ट बनाकर इस समस्या के लिए एक नया दृष्टिकोण विकसित किया है जो एक थर्मल ब्रिज (तापीय सेतु) के रूप में कार्य करता है। उन्होंने नैनो-सिल्वर पेस्ट के आधार से शुरुआत की, जो एक ऐसी सामग्री है जिसमें चांदी के सूक्ष्म कण होते हैं जिन्हें कम तापमान पर एक ठोस, प्रवाहकीय परत बनाने के लिए आपस में जोड़ा जा सकता है। जबकि चांदी ऊष्मा को स्थानांतरित करने में उत्कृष्ट है, केवल पेस्ट ही ऊष्मा स्रोत और शीतलन सतह के बीच की सूक्ष्म खामियों के साथ संघर्ष करता है। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने एक दूसरा घटक पेश किया: मल्टी-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब। ये कार्बन परमाणुओं से बनी अविश्वसनीय रूप से पतली, नली जैसी संरचनाएं हैं, जो ऊष्मा को बहुत कुशलता से स्थानांतरित करने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती हैं। हालाँकि, इन ट्यूबों को पेस्ट में मिलाने से वे आपस में गुच्छे बनाने लगते हैं, जो वास्तव में ऊष्मा के प्रवाह में मदद करने के बजाय उसे बाधित करता है।

इस गुच्छे बनाने की समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पहले कार्बन नैनोट्यूब को तेज एसिड के मिश्रण और अल्ट्रासोनिक कंपन के साथ उपचारित किया। इस प्रक्रिया ने ट्यूबों को साफ किया और उनकी सतहों पर सूक्ष्म रासायनिक समूह जोड़े, जिससे वे बॉन्डिंग के प्रति अधिक ग्रहणशील बन गए। इसके बाद उन्होंने इन उपचारित ट्यूबों को सिल्वर नैनोकणों से कोट किया, जो अनिवार्य रूप से कार्बन ट्यूबों को 'सिल्वर जैकेट' पहनाने जैसा था। इस सजावट के दो उद्देश्य थे: इसने ट्यूबों को एक-दूसरे से चिपकने से रोका, और जब उन्हें एक साथ गर्म किया गया, तो इसने कार्बन ट्यूबों और सिल्वर पेस्ट के बीच एक मजबूत रासायनिक बंधन बनाया। टीम ने इन सिल्वर-कोटेड ट्यूबों की विभिन्न मात्राओं का परीक्षण किया, और इन्हें पेस्ट में अलग-अलग मात्रा में मिलाकर सही संतुलन खोजने का प्रयास किया।

परिणामों ने दिखाया कि इन सुदृढ़ ट्यूबों को जोड़ने से सामग्री की ऊष्मा स्थानांतरित करने की क्षमता में नाटकीय सुधार हुआ। जब पेस्ट में वजन के अनुसार पांच प्रतिशत सिल्वर-कोटेड ट्यूब थे, तो इसकी ऊष्मा संचालित करने की क्षमता 10.16 वाट प्रति मीटर-केल्विन के शिखर मान तक पहुँच गई। यह एक विशाल सुधार है, जो बिना किसी ट्यूब वाले सादे सिल्वर पेस्ट की तुलना में 175 प्रतिशत की वृद्धि दर्शाता है। ट्यूबों पर सिल्वर कोटिंग ने कार्बन संरचना और सिल्वर मैट्रिक्स के बीच एक सुरक्षित 'हैंडशेक' (हाथ मिलाने) के रूप में कार्य किया, जिससे ऊष्मा आसानी से एक सामग्री से दूसरी सामग्री में कूद सकी और सीमा पर अटक नहीं पाई।

हालाँकि, सर्वोत्तम प्रदर्शन की कहानी इस बात पर निर्भर करती है कि सामग्री का उपयोग कहाँ किया जाता है। जब शोधकर्ताओं ने इस पेस्ट का उपयोग एक ग्राफीन फिल्म—जो कार्बन की एक पतली, द्वि-आयामी शीट है और अपनी उच्च ऊष्मा चालकता के लिए जानी जाती है—को कॉपर सबस्ट्रेट (तांबे के आधार) से जोड़ने के लिए किया, तो सुदृढीकरण की आदर्श मात्रा बदल गई। इस विशिष्ट सेटअप में, केवल एक प्रतिशत सिल्वर-कोटेड ट्यूब जोड़ने से ऊष्मा प्रवाह के कुल प्रतिरोध में 59 प्रतिशत की कमी आई, जिससे यह एक बहुत ही निम्न स्तर पर आ गया। यह सुझाव देता है कि जबकि ट्यूबों की उच्च सांद्रता पेस्ट को स्वयं एक बेहतर चालक बनाती है, लेकिन कम मात्रा दो अलग-अलग सामग्रियों के बीच के इंटरफेस को सुचारू बनाने के लिए बेहतर होती है। कम सांद्रता वाले ट्यूब सूक्ष्म अंतराल को पाटने वाले छोटे पुलों की तरह कार्य करते हैं, जो सिल्वर कणों और धातु की सतहों के बीच के सूक्ष्म अंतराल को पाटते हैं ताकि ऊष्मा के यात्रा करने के लिए एक निरंतर पथ बन सके।

अध्ययन ने यह भी जांचा कि ये नए कनेक्शन कितने मजबूत थे। एक प्रतिशत सिल्वर-कोटेड ट्यूब वाले पेस्ट न केवल ऊष्मा को स्थानांतरित करने में बेहतर थे, बल्कि यांत्रिक रूप से भी अधिक मजबूत थे। यह टूटने से पहले 23.36 मेगापास्कल के 'शीयरिंग फोर्स' (कतरनी बल) को सहन कर सकता था, जो सादे सिल्वर पेस्ट की तुलना में काफी अधिक है। यह इंगित करता है कि ट्यूबों ने संरचना को अधिक मजबूती से पकड़कर रखने में मदद की। हालाँकि, बहुत अधिक ट्यूब जोड़ने का विपरीत प्रभाव पड़ा। जब मात्रा दस प्रतिशत तक पहुँच गई, तो ट्यूब फिर से गुच्छे बनाने लगे, जिससे सामग्री में कमजोर बिंदु और दरारें पैदा हो गईं। इससे ऊष्मा चालकता और यांत्रिक शक्ति दोनों में भारी गिरावट आई, जो यह सिद्ध करता है कि सामग्री को दोषपूर्ण बनाने से पहले सुदृढीकरण जोड़ने की एक सटीक सीमा होती है।

यह कार्य उन्नत इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग में ऊष्मा प्रबंधन के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। कार्बन नैनोट्यूब की सतह रसायन विज्ञान को सावधानीपूर्वक ट्यून करके और सिल्वर पेस्ट में उनकी मात्रा को नियंत्रित करके, इंजीनियर घटकों के बीच के सूक्ष्म अंतरालों को पहले से कहीं अधिक प्रभावी ढंग से भर सकते हैं। अनुसंधान यह प्रदर्शित करता है कि उच्च-प्रदर्शन थर्मल प्रबंधन की कुंजी न केवल सामग्रियों में निहित है, बल्कि इस बात में भी है कि उन्हें कैसे तैयार और संयोजित किया जाता है ताकि वे निर्बाध रूप से एक साथ मिलकर कार्य कर सकें।