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Come funziona il nano rame e perché sfamerà i chip

C’è un legame fra rame, dati, processori e data center che caratterizza le nostre vite. I data center sparsi per il mondo hanno assunto un ruolo indispensabile nella nostra società, in quanto è qui che i nostri dati vengono raccolti, processati, spediti o archiviati. Il loro cuore pulsante sono i microprocessori, ovvero i chip che svolgono le operazioni di calcolo.

Il continuo aumento delle performance di questi chip ha portato a un aumento della loro fame d’energia, fino raggiungere picchi di 300 W durante intensi carichi di lavoro.

Per soddisfare questa fame, in media l’85% delle interconnessioni elettroniche del microprocessore vengono dedicate a rifornirlo d’energia, limitando drasticamente il numero di interconnessioni disponibili per scambiare informazioni con le altre componenti.

Questo ostacolo è dovuto al limitato flusso di corrente sopportabile dai materiali tipicamente utilizzati per formare il contatto elettrico.

Luca Del Carro è entrato in IBM Research a Zurigo nell’ottobre del 2015 per proseguire la sua ricerca di dottorato. È membro del gruppo Advanced Micro Integration. Il suo attuale obiettivo di ricerca è lo sviluppo di nuove interconnessioni elettriche e sottofondi termici per l’imballaggio microelettronico. Del Carro ha ricevuto il suo Master cum laude nel 2015 e si è laureato al Politecnico di Milano nel 2013.

Attualmente, le interconnessioni elettroniche flip-chip dei microprocessori sono reallizzate con lega di saldatura, la quale viene applicata fra il chip e il substrato e fusa a una temperatura di circa 250 °C per creare il contatto elettrico.

Questa lega di saldatura rappresenta il punto debole dell’interconnessione, in quanto non puó sostenere flussi di corrente superiori a 104 A/cm2 senza essere irreparabilmente danneggiata da elettromigrazione.

In questo fenomeno, l’elevato flusso di elettroni applicato sposta gli ioni metallici dalla loro posizione iniziale, portando alla formazione di vuoti nella lega. Nel breve tempo, questi vuoti risulatano fatali per la stabilitá meccanica dell’intera interconnessione.

Nel centro di ricerca IBM di Zurigo cerchiamo di risolvere questo problema rimpiazzando con nanoparticelle di rame le tradizionali leghe di saldatura [1] [2].

Il rame ha una conducibilitá elettrica 10 volte superiore alle comuni leghe di saldatura e non è sensibile all’elettromigrazione. Inoltre, l’elevata conducibilitá termica del rame puó essere impiegata per migliorare la dissipazione del calore generato durante il funzionamento del microprocessore.

L’utilizzo di rame in nanoparticelle, ci permette di formare un contatto elettrico tramite sinterizzazione alla temperatura di soli 200 °C, sebbene il punto di fusione del rame sia a ben 1084 °C. Questo è possible grazie alla starordinaria diffusivitá del materiale a dimensioni nanoscopiche.

Immagine SEM (scanning electron microscope) in sezione di un interconnessione elettrica realizzata con nanoparticelle di rame ad una temperatura massima di 200 °C

Le nanoparticelle di rame vengono disperse in un solvente, in modo tale da creare un “inchiostro” facile da maneggiare. Tale inchiostro viene applicato esclusivamente sui terminali delle interconnessioni, i “pillars”, tramite un processo di immersione denominato dipping.

Rappresentazione schematica del processo di dipping. 1) L’inchiostro viene spalmato con uno spessore di circa 20 µm su una superficie liscia 2) i terminali elettrici del chip vengono parzialmente immersi nel film d’inchiostro 3) in seguito alla rimozione del chip dal film d’inchiostro, le nanoparticelle di rame ricoprono le punte dei terminali 4) il chip viene allineato e assemblato sul substarto desiderato 5) il contatto elettrico viene formato sinterizzando le nanoparticelle ad una temperatura massima di 200 °C utilizzando vapori di acido formico per ridurre l’ossido di rame

Questa tecnologia semplice e pratica ci permette finalmente di sfruttare tutti i vantaggi del rame anche per creare interconnessioni flip chip, aprendo la strarda all’era del nano rame.

Attualmente, le nostra tecnologia è testata per svariate applicazioni, dal contatto di chip di 400 mm2 per power electronics al bonding di piccoli chip per dispositivi mobili, con l’obiettivo di trovare presto la propria strada nei dispositivi del futuro.

 

[1]       J. Zurcher,“All-Copper Flip Chip Interconnects by Pressureless and Low Temperature Nanoparticle Sintering,” Proc. – Electron. Components Technol. Conf., vol. 2016–August, pp. 343–349, 2016.

[2]       L. Del Carro, “Morphology of Low-Temperature All-Copper Interconnects Formed by Dip Transfer,” in 2017 IEEE 67th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2017, pp. 961–967.