Supersolder udviser uovertrufne termiske egenskaber

Inden for elektronik, loddemetal bruges til at forbinde to dele sammen. Som en bro, en af ​​dens vigtigste funktioner er at overføre varme væk fra kritiske elektroniske komponenter og mod kølepladen, som bruger luft eller vand til sikkert at sprede varme. Da teknologiske fremskridt giver mulighed for at skabe mindre og mere kraftfulde computere og elektronik – og med temperaturer i computerchips, der når højere end 100 °C – er denne varmeafledningsfunktion blevet mere afgørende end nogensinde før.

Imidlertid, konventionelle lodninger er ved at nå grænsen for deres evne til at lede varme effektivt over en lang levetid, gør varmeafledning til en begrænsende faktor for videre udvikling af computere og elektronik. Hvis disse felter skal gå videre, denne afgørende flaskehals skal overvindes.

Indtast "supersolder."

Produktet af en 2013 DARPA Young Faculty Award, supersolder er et termisk interface materiale (TIM) udviklet af Sheng Shen, lektor i maskinteknik ved Carnegie Mellon, i samarbejde med forskere fra National Renewable Energy Laboratory. Fire års arbejde har resulteret i skabelsen af ​​et materiale, der kan udfylde samme rolle som konventionelle lodninger, men med dobbelt så høj varmeledningsevne som nuværende avancerede TIM'er.

Hemmeligheden bag Shens gennembrud er kobber-tin nanotrådarrays.

"Nanotrådene er dyrket fra en skabelon, som en form, ved hjælp af små porer, " siger Shen. "Det er chipteknologi, der bruger galvanisering, vokset et lag ad gangen, som hvordan du belægger en elektrisk ledning ved at dyppe den i elektrolyt."

Det resulterende array udviser bemærkelsesværdige termiske egenskaber, uden sidestykke af alle nuværende loddematerialer. Imidlertid, det er ikke kun dens termiske ledningsevne, der gør supersolder unik.

Supersolder udviser også ekstraordinær overensstemmelse, eller elasticitet, på niveau med gummi eller andre polymerer. Dette er vigtigt, da de dele, som loddet forbinder, udvider sig og trækker sig sammen, når de opvarmes, ofte med varierende hastighed mellem to dele af forskellig sammensætning. Formindskelse af compliance er ofte undergang af konventionelle lodninger, efterhånden som de bliver skøre ved gentagen brug, forringe deres evne til at lede varme over tid. Ifølge Shen, supersolders overensstemmelse er højere end disse materialer med to til tre størrelsesordener.

Et eksperiment, som hans team udførte, matchede en superloddekonstruktion med en konventionel loddekonstruktion af tin. Mens den konventionelle lodning begyndte at falde i termisk ledningsevne efter mindre end 300 timers cykling, superloddet fortsatte med at fungere ved maksimal termisk ledningsevne efter over 600 timer. Faktisk, den klarede sig så godt, at dens nøjagtige grænser stadig er ukendte.

"Vi ved, at det kan fortsætte, " siger Shen. "Den eneste grund til, at vi afsluttede eksperimentet, var, at vi var nødt til at udgive avisen!"

Mens de øvre grænser for supersolders evner stadig udforskes, dets potentielle fremtidige applikationer er tydelige at se. Supersolder kunne erstatte konventionel loddemetal i elektroniske systemer lige fra mikro- og bærbar elektronik til datacentre i lagerstørrelse, reduktion af temperaturer for at muliggøre væsentlige forbedringer i effekttæthed og pålidelighed. Alt hvad konventionelt loddemiddel kan gøre, supersolder kan gøre det bedre - næsten.

Mens Shen er meget tilfreds med resultaterne fra supersolder, hans arbejde er endnu ikke fuldført; han ser stadig plads til forbedringer. Materialet er elektrisk ledende:en egenskab, der er uønsket i visse applikationer. Derfor, hans næste mål er at skabe en version af superlodde, der kan bevare sin termiske ledningsevne, mens den fungerer som en elektrisk isolator.

Efter fire års arbejde, der er lidt, der kunne afholde ham fra at perfektionere sit materiale.

"Idéen er meget enkel:du har en udfordring, og du bliver ved med at prøve, indtil du får det til at virke."