Hoe een dunne-film koperen sandwich de elektronica transformeert

Naarmate apparaten kleiner en krachtiger worden, neemt het risico op oververhitting en doorbranden aanzienlijk toe. Ondanks vooruitgang in koeloplossingen, is de interface tussen een elektronische chip en het koelsysteem een ​​barrière gebleven voor thermisch transport vanwege de intrinsieke ruwheid van de materialen.

Sheng Shen, professor aan de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University, heeft een flexibel, krachtig en zeer betrouwbaar materiaal gefabriceerd om het gat efficiënt op te vullen.

“Op het eerste gezicht lijkt onze oplossing op een gewone koperfilm, maar onder een microscoop wordt de nieuwigheid van ons materiaal duidelijk”, legt Lin Jing, promovendus, uit.

Het materiaal, dat bestaat uit twee dunne koperfilms met daartussen een met grafeen gecoate koperen nanodraden, is uiterst gebruiksvriendelijk.

“Andere nanodraden moeten in situ worden gekweekt waar de warmte is ontworpen om te worden afgevoerd, zodat hun toepassingsdrempel en kosten hoog zijn”, zegt Rui Cheng, postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Shen. “Onze film is niet afhankelijk van enig substraat, het is een vrijstaande film die op elke maat of vorm kan worden gesneden om de opening tussen verschillende elektrische componenten te vullen.”

De “sandwich” is gemaakt van Shen’s “supersoldeer”, een thermisch interfacemateriaal (TIM) dat op dezelfde manier kan worden gebruikt als conventioneel soldeer, maar met tweemaal de thermische geleidbaarheid van de huidige ultramoderne TIM’s.

Door de “supersoldeer” in grafeen te coaten, verbeterde het team van Shen zijn thermische transportmogelijkheden en voorkwam het risico op oxidatie, waardoor een langere levensduur werd gegarandeerd. De “sandwich” kan, in vergelijking met de thermische pasta’s/kleefstoffen die momenteel op de markt zijn, de thermische weerstand met meer dan 90% verminderen bij dezelfde dikte.

Dankzij zijn ultrahoge mechanische flexibiliteit kan de “sandwich” een breed scala aan toepassingen in flexibele elektronica en micro-elektronica mogelijk maken, waaronder flexibele LED’s en lasers voor verlichting en weergave, draagbare sensoren voor communicatie, implanteerbare elektronica voor het bewaken van gezondheid en beeldvorming, en zachte robotica.

In de toekomst zal het team van Shen manieren onderzoeken om het materiaal op industrieel niveau te schalen, de kosten te verlagen en tegelijkertijd te blijven zoeken naar manieren om het te verbeteren.

“We zijn erg enthousiast over het potentieel van dit materiaal,” vertelde Shen. “Wij geloven dat een grote verscheidenheid aan elektronische systemen hiervan kan profiteren door ze bij een lagere temperatuur te laten werken met hogere prestaties.”

Het onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.