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Articoli di approfondimento - Nuovi materiali per ridurre il surriscaldamento elettronico

L'ambiente si sta riscaldando nel campo dell'industria elettronica. Letteralmente. Man mano che i microchip e i componenti diventano più piccoli e più potenti, diventano anche più caldi. Un progetto finanziato dall'UE usa micro e nanotecnologia per sviluppare materiali e processi che ne evitino la fusione. I ricercatori stanno sviluppando una serie di grassi, adesivi, fibre di polimeri e nanotubi di carbonio per portare via il calore, il che significa che i nostri dispositivi elettronici, dai computer portatili ai sistemi GPS, possono diventare ancora più piccoli e potenti.

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La legge di Moore, un'osservazione fatta dal co-fondatore di Intel, Gordon E. Moore, secondo la quale la potenza di elaborazione si raddoppia approssimativamente ogni due anni, si è rivelata precisa per oltre mezzo secolo. Adesso trasportiamo più potenza di elaborazione nei telefoni cellulari che abbiamo in tasca di quella contenuta qualche decennio fa in un computer grande come una casa. Ci sono però segni che la legge di Moore potrebbe essere valida ancora per poco, non perché non possiamo produrre più potenza di elaborazione su scala più piccola (i progetti di nuovi chip hanno lo scopo di risolvere questa questione), ma perché avere così tanti componenti in uno spazio così ristretto produce troppo calore. Se non si trova una soluzione al problema del surriscaldamento, alcuni analisti prevedono che il tasso di aumento della densità di potenza definito dalla legge di Moore comincerà a rallentare entro il 2020, limitando gravemente i progressi dei telefoni cellulari, dei computer e di una serie di altri dispositivi elettronici. "I problemi termici costituiscono la difficoltà maggiore che incontra la tendenza verso dispositivi più piccoli e più potenti e le nuove tecniche per aumentare la densità di potenza, come chip integrati e imballaggio 3D dei chip, produrranno ancora più calore," spiega Afshin Ziaei, un manager della ricerca presso la Thales Research & Technology in Francia. Ziaei ha coordinato il progetto "Nano packaging technology for interconnect and heat dissipation" (Nanopack), che ha ricevuto oltre 7 Mio EUR in finanziamenti dalla Commissione europea. Il team che ha gestito il progetto presso la Thales Research and Technology ha lavorato con un team di 13 altre aziende, università e istituti di ricerca facendo fare grandi progressi al livello cui è giunta la tecnica nella gestione del calore e nelle interconnessioni elettriche. Ci sono diversi metodi per affrontare i problemi termici, come costruire sistemi di raffreddamento più efficienti ed efficaci, per esempio, o sviluppare componenti che producono meno calore in partenza. Probabilmente però la soluzione più efficace e pratica, che permette i maggiori vantaggi, sono le interfaccia termiche, cioè i siti dove un chip si connette e distribuisce calore al suo alloggiamento e dall'alloggiamento al sistema di raffreddamento. "Queste due interfaccia termiche, tra il nucleo del chip e l'alloggiamento e tra l'alloggiamento e il sistema di raffreddamento, rappresentano circa il 40 – 50% della resistenza termica. Se riusciamo a diminuire la resistenza possiamo aumentare proporzionalmente l'efficacia del sistema di raffreddamento," spiega Ziaei. Questo significa che i chip possono diventare più caldi, permettendo così maggiore potenza di elaborazione, o possono funzionare alla stessa temperatura ma essere più affidabili. La chiave per ridurre la resistenza termica nelle interfaccia sta in materiali di interfaccia termica (TIM) accoppiati a design che permettano ai chip e al loro alloggiamento di dissipare il calore più velocemente. Grazie al lavoro condotto in Europa, nuovi TIM e nuovi processi potrebbero essere presto in uso a livello commerciale. Usando la micro e la nano tecnologia, il team del progetto ha sviluppato una nuova serie di grassi conduttori di calore, adesivi, materiali, strutture e processi per migliorare l'interfaccia termica dei chip con l'alloggiamento e con i sistemi di raffreddamento. Vicino al mercato e promettente per il futuro "Alcuni sono molto maturi e potrebbero essere in uso a livello commerciale molto presto, altri sono ancora in fase di ricerca e sviluppo ma sembrano promettere nel lungo termine," dice Ziaei. Tra i materiali più maturi sviluppati dai partner del progetto ci sono versioni avanzate di grassi e adesivi termici tradizionali - simili alle sostanze usate per connettere un processore di computer al dissipatore in un normale PC. Il grasso Nanopack e le soluzioni adesive, potenziate da speciali micro-filler, hanno ognuna una conduttività termica di circa 10 watt per metro quadrato per Kelvin (W/mK), il che rappresenta il tasso di trasferimento del calore in watt attraverso un metro quadrato di una struttura diviso la differenza di temperatura nella struttura. Nel caso del grasso, sviluppato dal partner del progetto austriaco Electrovac a partire da micro-sfere metalliche e nano-fibre di carbonio grafitizzato in una matrice di silicio, la conduttività è in linea con lo stato dell'arte. L'adesivo, sviluppato dai ricercatori del Politecnico di Chalmers in Svezia, va ben oltre. "La maggior parte degli adesivi hanno un trasferimento di calore di circa 4 W/mK. Con 10 W/mK, questo adesivo costituisce un grande passo avanti," osserva Ziaei. "È fatto incorporando fiocchi di argento e sfere di micro-argento in una matrice bi-epossidica resistente al calore." Il Chalmers ha messo su una società in Svizzera, la Smart High Tech (SHT), per commercializzare l'adesivo insieme a un altro materiale sviluppato nell'ambito di Nanopack, una fibra polimerica infiltrata con una lega metallica. Questo materiale unico, che somiglia a un foglio molto sottile di alluminio ed è stato chiamato SmarTIM, presenta un rendimento termico efficientissimo di un valore compreso tra 18 W/mK e 24 W/mK a seconda della lega impiegata. "La rete di fibra polimerica crea una struttura robusta, mentre la lega assicura un'efficiente conduttività," dice Ziaei. Il partner di Nanopak IBM nel frattempo ha apportato dei miglioramenti a una tecnologia esistente conosciuta come "Hierarchical nested channel" (HNC), che usa microstrutture sulle superfici che si connettono alle interfaccia termiche per migliorare la conduttività e ridurre lo spessore dello strato termico. Altre tecnologie sviluppate nell'ambito del progetto sono più lontane dal loro uso a livello commerciale ma, quando saranno pronte, potrebbero avere un enorme impatto sulla gestione del calore. Una, sviluppata da Fraunhofer IZM, consiste in una nano-spugna d'oro nella quale le cavità della spugna sono grandi appena qualche decina di nanometri. Un'altra, sviluppata da Thales Research and Technology, usa nanotubi di carbonio – strutture cilindriche fatte di allotropi di carbonio con un diametro di circa un nanometro, approssimativamente 100.000 volte più piccole di un capello umano. Questi sono orientati verticalmente in una soluzione in modo che il calore sia trasferito verso l'alto attraverso il centro del tubo. "Queste tecnologie sono tutte molto promettenti per il futuro. I nanotubi di carbonio, per esempio, hanno eccellenti proprietà termiche. La conduttività di un singolo tubo è vicina a 1000 W/mK e il sogno è di produrre materiali che contengano questa caratteristica e possano condurre circa 100 W/mK. Se però riusciamo a raggiungere i 50 W/mK sarà comunque una rivoluzione," dice Ziaei. Oltre al lavoro sui materiali e sui processi, il team di Nanopack ha anche sviluppato strumenti di caratterizzazione all'avanguardia per misurare e testare il rendimento termico dei materiali. Alcuni dei partner adesso parteciperanno al progetto "Smart Power" finanziato dall'UE, che amplierà l'oggetto del loro lavoro a chip e design di alloggiamento diversi, basandosi sulla ricerca sui materiali e sui processi condotta all'interno di Nanopack. Le loro attività promettono di mantenere valida la Legge di Moore per almeno un paio di decenni in più. Nanopack ha ricevuto finanziamenti nell'ambito del Settimo programma quadro (7˚ PQ) dell'UE per la ricerca, sub-programma "Next generation nanoelectronics components and electronics integration". Link utili: - Progetto "Nano packaging technology for interconnect and heat dissipation" - Record dei dati del progetto Nanopack su CORDIS Articoli correlati: - Migliore gestione termica promette un'elettroninca più economica, più verde, più fresca - Designer optoelectronics – quantum mechanics for new materials - Nanospheres stretch limits of hard disk storage - Pushing the limits of chip miniaturisation - EUROPRACTICE offre nuovi vantaggi nell'ambito della ricerca sulle nanotecnologie