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

Moderne elektronica worden steeds kleiner en krachtiger, waarbij enorme hoeveelheden energie in minuscule ruimtes worden gepakt. Deze vooruitgang brengt een hardnekkig probleem met zich mee: hitte. Wanneer een computerchip of een krachtig apparaat werkt, genereert het intense warmte die snel moet worden afgevoerd, anders zal het apparaat falen. Om dit op te lossen, gebruiken ingenieurs speciale materialen om de kloof te overbruggen tussen de hete chip en een koeler metalen stuk dat ontworpen is om de warmte af te voeren. Echter, zelfs wanneer deze twee oppervlakken tegen elkaar aan worden gedrukt, zijn ze op microscopisch niveau nooit perfect glad. Kleine openingen en ruwe plekken vangen lucht op, wat werkt als een deken die de warmtestroom blokkeert. Dit creëert een flessenhals, waardoor het apparaat niet efficiënt kan afkoelen. Jarenlang hebben wetenschappers gezocht naar een manier om deze microscopische openingen op te vullen met een materiaal dat warmte beter geleidt dan de metalen zelf, in de hoop het volledige potentieel van de volgende generatie elektronica te ontsluiten.

Onderzoekers aan de Shanghai University hebben een nieuwe aanpak voor dit probleem ontwikkeld door een speciale pasta te maken die fungeert als een thermische brug. Ze begonnen met een basis van nano-zilverpasta, een materiaal gemaakt van minuscule zilverdeeltjes die aan elkaar kunnen worden gesmolten bij lage temperaturen om een solide, geleidende laag te vormen. Hoewel zilver uitstekend is in het verplaatsen van warmte, heeft de pasta alleen nog steeds moeite met de microscopische imperfecties tussen de warmtebron en het koeloppervlak. Om dit op te lossen, introduceerde het team een tweede ingrediënt: meervoudig wandige koolstofnanobuisjes. Dit zijn ongelooflijk dunne, buisvormige structuren gemaakt van koolstofatomen, die bekend staan om hun vermogen om warmte zeer efficiënt te transporteren. Het simpelweg mengen van deze buisjes in de pasta zorgt er echter voor dat ze aan elkaar klonteren, wat de warmtestroom juist blokkeert in plaats van helpt.

Om het klonterprobleem op te lossen, behandelden de onderzoekers de koolstofnanobuisjes eerst met een mengsel van sterke zuren en ultrasone trillingen. Dit proces reinigde de buisjes en voegde kleine chemische groepen toe aan hun oppervlak, waardoor ze ontvankelijker werden voor binding. Vervolgens bekleedden ze deze behandelde buisjes met zilvernanodeeltjes, waarbij ze de koolstofbuisjes in feite een zilveren jasje gaven. Deze decoratie diende twee doeleinden: het hield de buisjes ervan weer om aan elkaar te plakken, en het creëerde een sterke chemische binding tussen de koolstofbuisjes en de zilverpasta wanneer ze samen werden verhit. Het team testte verschillende hoeveelheden van deze met zilver beklede buisjes en mengde deze in variërende hoeveelheden in de pasta om de perfecte balans te vinden.

De resultaten toonden aan dat het toevoegen van deze versterkte buisjes het vermogen van het materiaal om warmte te verplaatsen drastisch verbeterde. Wanneer de pasta vijf procent van deze met zilver beklede buisjes per gewicht bevat, bereikte het vermogen om warmte te geleiden een piekwaarde van 10,16 watt per meter-kelvin. Dit is een enorme verbetering, wat een stijging van 175 procent betekent vergeleken met de gewone zilverpasta zonder de buisjes. De zilveren coating op de buisjes fungeerde als een stevige handdruk tussen de koolstofstructuur en de zilvermatrix, waardoor warmte gemakkelijk van het ene materiaal naar het andere kon springen zonder vast te komen zitten bij de grenslaag.

Echter, het verhaal van de beste prestatie hangt af van waar het materiaal wordt gebruikt. Wanneer de onderzoekers deze pasta toepasten om een grafeenfilm — een dunne, tweedimensionale koolstoflaag die bekend staat om zijn hoge warmtegeleidbaarheid — te verbinden met een koperen substraat, veranderde de ideale hoeveelheid versterking. In deze specifieke opstelling verminderde het toevoegen van slechts één procent van de met zilver beklede buisjes de totale weerstand tegen warmtestroom met 59 procent, waardoor deze tot een zeer laag niveau werd teruggebracht. Dit suggereert dat hoewel een hogere concentratie buisjes de pasta zelf een betere geleider maakt, een kleinere hoeveelheid beter is in het gladstrijken van de interface tussen twee verschillende materialen. De buisjes in deze lagere concentratie fungeerden als minuscule bruggen die de microscopische openingen tussen de zilverdeeltjes en de metaaloppervlakken overspanden om een continu pad te creëren waarover warmte kan reizen.

De studie onderzocht ook hoe sterk deze nieuwe verbindingen waren. De pasta met één procent van de met zilver beklede buisjes was niet alleen beter in het verplaatsen van warmte, maar ook mechanisch sterker. Het kon een afschuivingskracht van 23,36 megapascal weerstaan voordat het brak, wat aanzienlijk hoger is dan de gewone zilverpasta. Dit geeft aan dat de buisjes hielpen de structuur steviger bij elkaar te houden. Echter, het toevoegen van te veel buisjes had het tegenovergestelde effect. Wanneer de hoeveelheid tien procent bereikte, begonnen de buisjes weer aan elkaar te klonteren, wat zwakke plekken en scheuren in het materiaal veroorzaakte. Dit zorgde ervoor dat zowel de warmtegeleidbaarheid als de mechanische sterkte scherp daalden, wat bewees dat er een precieze limiet is aan hoeveel versterking kan worden toegevoegd voordat het materiaal gebrekkig wordt.

Dit werk biedt een duidelijke weg vooruit voor het beheersen van warmte in geavanceerde elektronische verpakkingen. Door de oppervlaktechemie van koolstofnanobuisjes zorgvuldig af te stemmen en te controleren hoeveel er aan een zilverpasta worden toegevoegd, kunnen ingenieurs materialen creëren die de microscopische openingen tussen componenten effectiever dan ooit tevoren opvullen. Het onderzoek laat zien dat de sleutel tot het ontsluiten van hoogwaardig thermisch beheer niet alleen ligt in de materialen zelf, maar in hoe ze worden voorbereid en gecombineerd om ervoor te zorgen dat ze naadloos samenwerken.