Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Χονγκ Κονγκ (CityUHK) έχουν προβεί σε μια σημαντική ανακάλυψη στον τομέα της τεχνολογίας συσκευασίας ηλεκτρονικών, αναπτύσσοντας ένα καινοτόμο νανοκρυσταλλικό (NC) υλικό από χαλκό που επιτρέπει την άμεση σύνδεση χαλκού-σε-χαλκό σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Αυτή η πρόοδος ανοίγει νέες δυνατότητες για το σχεδιασμό προηγμένων τσιπ, τα οποία είναι καθοριστικά για πολλές τεχνολογίες της επόμενης γενιάς.
Η ερευνητική ομάδα, υπό την καθοδήγηση του Καθηγητή Shien-Ping Feng από το Τμήμα Συστηματικής Μηχανικής, έχει αναπτύξει με επιτυχία ένα νανοκρυσταλλικό υλικό χαλκού για άμεση σύνδεση χαλκού-σε-χαλκό (Cu–Cu), το οποίο λειτουργεί σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Αυτή η καινοτομία συνδυάζει εξαιρετική ποιότητα σύνδεσης με μειωμένες απαιτήσεις θερμοκρασίας, καθιστώντας την μια ελκυστική λύση για προηγμένη συσκευασία ηλεκτρονικών.
Η τεχνολογία αυτή είναι ιδιαίτερα πολύτιμη για τη βιομηχανική μαζική παραγωγή, καθώς απαιτεί λιγότερη θερμότητα και λιγότερο χρόνο για τη δημιουργία αξιόπιστων συνδέσεων.
Τα ευρήματα της έρευνας δημοσιεύτηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Nature Communications, με τίτλο “Nanocrystalline copper for direct copper-to-copper bonding with improved cross-interface formation at low thermal budget.”
Οι προκλήσεις και η λύση
Η χρήση νανοκρυσταλλικού χαλκού για άμεση σύνδεση Cu–Cu αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για προηγμένη συσκευασία ηλεκτρονικών. Ωστόσο, αντιμετωπίζει δύο κύριες προκλήσεις. Πρώτον, περιέχει πολλούς κόκκους (grain boundaries) όπου τείνουν να συγκεντρώνονται ακαθαρσίες, καθιστώντας δύσκολη την επαρκή ανάπτυξη των κόκκων όταν θερμαίνονται σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Δεύτερον, όταν το υλικό θερμαίνεται ήπια, οι νανοκρύσταλλοι αναπτύσσονται στην επιφάνεια, αλλά όχι στο κάτω μέρος, οδηγώντας στη δημιουργία κενών κοντά στο στρώμα χαλκού. Αυτά τα ζητήματα δυσχεραίνουν τη δημιουργία ισχυρών και αξιόπιστων συνδέσεων.
Η ομάδα αντιμετώπισε αυτές τις προκλήσεις αναπτύσσοντας ένα στρατηγικό σχέδιο διπλού στρώματος, όπου το στρώμα με μεγάλους κόκκους λειτουργεί ως απορροφητής ακαθαρσιών, διευκολύνοντας την ελεγχόμενη διάχυση των ακαθαρσιών και αποτρέποντας τη δημιουργία κενών κοντά στο στρώμα χαλκού.
“Με την ανάπτυξη προσθετικών, μπορούμε να ηλεκτρολυτίσουμε τον νανοκρυσταλλικό χαλκό με ομοιόμορφα μεγέθη νανοκόκκων και χαμηλές ακαθαρσίες, επιτρέποντας γρήγορη ανάπτυξη κόκκων σε χαμηλές θερμοκρασίες. Διαπιστώσαμε ότι ένα μόνο στρώμα NC είναι αναποτελεσματικό για σύνδεση Cu–Cu, γι’ αυτό προτείνουμε μια δομή διπλού στρώματος με NC Cu πάνω από ένα στρώμα με μεγάλους κόκκους (CG)”, εξηγεί ο Καθηγητής Feng.
Εφαρμογές της νέας μεθόδου
Η δυνατότητα σύνδεσης χαλκού σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ανοίγει νέες δυνατότητες για τον σχεδιασμό προηγμένων τσιπ. Επιτρέπει στους μηχανικούς να ενσωματώσουν διαφορετικούς τύπους τσιπ—ειδικά αυτούς που είναι ευαίσθητοι στη θερμότητα—σε συμπαγείς, υψηλής πυκνότητας τρισδιάστατες δομές. Αυτή η ανακάλυψη ενεργοποιεί την ανάπτυξη πιο εξελιγμένων αρχιτεκτονικών τσιπ, οι οποίες είναι καθοριστικές για την πρόοδο τεχνολογιών όπως η τεχνητή νοημοσύνη, οι υπολογιστές υψηλής απόδοσης, τα δίκτυα 5G και τα συστήματα επαυξημένης και εικονικής πραγματικότητας.
Στο μέλλον, η ομάδα θα συνεργαστεί με κατασκευαστές ημιαγωγών για την ενσωμάτωση αυτής της νέας τεχνικής σύνδεσης στις τρέχουσες διαδικασίες παραγωγής, συμπεριλαμβανομένων καθιερωμένων μεθόδων όπως η θερμοσυμπίεση και η υβριδική σύνδεση.
Οι προοπτικές για τη βιομηχανία
Η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας στη βιομηχανία ημιαγωγών μπορεί να φέρει επανάσταση στη διαδικασία παραγωγής, μειώνοντας το ενεργειακό κόστος και τον χρόνο που απαιτείται για τη δημιουργία αξιόπιστων συνδέσεων. Επιπλέον, η δυνατότητα ενοποίησης διαφορετικών τύπων τσιπ σε μικρότερο χώρο θα επιτρέψει τη δημιουργία πιο ισχυρών και ενεργειακά αποδοτικών συσκευών, που θα υποστηρίξουν την ανάπτυξη των τεχνολογιών της επόμενης γενιάς.
Συμπέρασμα
Η ανακάλυψη της ομάδας του CityUHK αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς την κατεύθυνση της βελτίωσης των τεχνολογιών συσκευασίας ηλεκτρονικών. Με τη δυνατότητα σύνδεσης χαλκού σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οι ερευνητές ανοίγουν νέους ορίζοντες για τον σχεδιασμό και την παραγωγή προηγμένων τσιπ, τα οποία θα υποστηρίξουν την ανάπτυξη της τεχνητής νοημοσύνης, των δικτύων 5G και άλλων καινοτόμων τεχνολογιών. Η συνεργασία με τη βιομηχανία θα είναι καθοριστική για τη μετάβαση αυτής της τεχνολογίας από το εργαστήριο στην παραγωγή, προσφέροντας νέες δυνατότητες για το μέλλον της ηλεκτρονικής.
