Miniaturisation: De nouveaux procédés d'assemblage grâce aux nano-effets

Dübendorf, St. Gallen und Thun, 02.02.2023 - Les composants électroniques deviennent de plus en plus petits, complexes et performants - ce qui exige de nouvelles solutions pour l'assemblage des pièces. Une équipe de l'Empa fait des recherches sur des matériaux d'assemblage nanostructurés pour la prochaine génération de microélectronique et d'autres applications exigeantes.

Gordon Moore avait raison. En avril 1965, l'ingénieur américain et futur cofondateur d'Intel prédisait que le nombre de transistors sur une puce doublerait environ tous les deux ans. Jusqu'à aujourd'hui, cette évolution se poursuit presque sans frein - notamment parce que les fabricants de puces du monde entier utilisent la loi de Moore comme base de leur planification stratégique. Ainsi, la prophétie se réalise d'elle-même.
Mais le doublement du nombre de circuits tous les deux ou trois ans frôle parfois les limites de ce qui est techniquement possible. Cela vaut également pour la technologie d'assemblage, qui doit suivre le rythme des exigences accrues. En effet, les composants électroniques de plus en plus petits et performants doivent toujours être intégrés dans des systèmes plus grands sans que les assemblages avec les dissipateurs thermiques ou les platines ne se désagrègent lors de changements de température ou de secousses, ou ne surchauffent pendant le fonctionnement. Une équipe dirigée par Jolanta Janczak-Rusch et Bastian Rheingans du laboratoire "Technologie d'assemblage et corrosion" de l'Empa se consacre à cette tâche.

L'industrie en difficulté

"Nos partenaires et clients, pour lesquels nous étudions des solutions sur mesure, en veulent toujours plus, et de préférence tout à la fois", explique Jolanta Janczak-Rusch. Un assemblage pour un nouveau composant électronique haute performance doit par exemple être fabriqué à la température la plus basse et la plus douce possible - tout en devant résister aux températures les plus élevées possibles lors du fonctionnement du composant et dissiper efficacement la chaleur dégagée par les composants. C'est la seule façon de combiner la miniaturisation et l'augmentation des performances sans que les frais de refroidissement n'atteignent des sommets. D'autres technologies d'avenir comme la photonique, les capteurs, l'aérospatiale, les batteries ou la construction de turbines dépendent également de concepts d'assemblage innovants.De nouveaux matériaux et procédés sont donc recherchés pour répondre aux exigences de plus en plus complexes en matière d'assemblage. L'assemblage avec des nanomatériaux, appelé nano-assemblage, offre un grand potentiel. L'industrie utilise déjà des nano-pâtes d'argent, c'est-à-dire des matériaux d'assemblage composés de nanoparticules d'argent. L'avantage : si le point de fusion de l'argent pur est de 962 degrés Celsius, les nano-pâtes d'argent permettent déjà de réaliser des assemblages à très bonne conductivité électrique et thermique à moins de 250 degrés Celsius. Et mieux encore : une fois fabriqués, ces assemblages résistent même à une température de fonctionnement supérieure à leur température de fabrication.

Utiliser les nano-effets

Derrière cette solution innovante se cache un grand savoir-faire en science des matériaux. "Nous remplaçons ici un processus de brasage classique par un processus de frittage", explique Bastian Rheingans, chercheur à l'Empa. Cela signifie que les particules dans la zone d'assemblage ne sont pas fondues, mais qu'elles s'agglomèrent par diffusion pour former des particules et des grains plus gros, réduisant ainsi leur énergie de surface. La diffusion, c'est-à-dire le mouvement des atomes individuels, se produit particulièrement rapidement au niveau des surfaces et des interfaces. Comme les nanoparticules présentent une très grande surface par rapport à leur volume, le frittage est particulièrement prononcé à l'échelle nanométrique et peut déjà être exploité à des températures relativement basses.
Dans le cas de très petites nanoparticules ou de fines nanocouches, la proportion d'atomes de surface "liquides" et facilement mobiles devient même si importante que le point de fusion s'abaisse de quelques centaines de degrés en dessous du point de fusion du matériau massif. Les chercheurs appellent cet effet MPD ("Melting Point Depression") - et l'utilisent pour développer des processus d'assemblage innovants et efficaces.

La course continue

"Nous travaillons sur des nano-pâtes à plusieurs composants afin d'optimiser les propriétés de l'assemblage et d'ouvrir de nouveaux domaines d'application", explique Bastian Rheingans. "Nous étudions par exemple les nano-pâtes de cuivre et les nano-pâtes de nickel". Ces métaux sont moins chers que l'argent et présentent des propriétés électriques et thermiques très intéressantes - mais comme ce sont des métaux moins nobles, ils s'oxydent beaucoup plus facilement. Il s'agit d'éviter cela dans le processus d'assemblage. "Nous plaçons donc les nanoparticules dans une pâte composée d'adjuvants organiques qui s'évaporent lors du processus d'assemblage et réduisent l'oxydation à la surface des particules. Ou nous recouvrons les particules d'un revêtement protecteur", explique le chercheur de l'Empa. Grâce à des méthodes d'analyse spéciales comme la diffraction des rayons X (XRD) ou la spectroscopie électronique des rayons X (XPS), les chercheurs peuvent vérifier si la méthode testée pour protéger les nanoparticules fonctionne comme prévu.

Mais l'innovation est également possible avec l'ancienne pâte d'argent : "Dans le cadre d'un projet de recherche de l'Empa sur le développement de membranes d'oxyde pour la microélectronique, nous avons pu soutenir efficacement nos collègues avec notre savoir-faire afin d'assembler les membranes ultrafines de manière stable et sans les endommager sur un substrat de support", explique Rheingans. Cette méthode pourrait également être appliquée à d'autres matériaux 2D.

Un four à l'échelle nanométrique

Pour les composants particulièrement sensibles à la température, les chercheurs disposent d'une autre méthode de nano-jointage qu'ils continuent de développer : l'assemblage réactif. Les films réactifs remplacent le four à souder comme source de chaleur locale. Elles se composent d'une multitude de nanocouches individuelles, par exemple en nickel ou en aluminium. Lorsque ces nano-multicouches sont allumées, le nickel et l'aluminium réagissent et forment une nouvelle liaison chimique - ce qui libère une très grande quantité de chaleur qui fait avancer le processus et le fait se déplacer sur toute la surface à une vitesse pouvant atteindre 50 mètres par seconde. Seules les épaisseurs de couche à l'échelle nanométrique permettent ici une réaction rapide et auto-progressive. Localement, on atteint jusqu'à 1000 degrés Celsius, mais en raison de la faible épaisseur du film réactif, la quantité totale de chaleur générée reste faible et se limite aux couches de soudure adjacentes. Il est ainsi possible d'appliquer des éléments électroniques sensibles sur des dissipateurs thermiques en cuivre en les ménageant et en les maintenant en place.

Des systèmes de nanocouches contre l'accumulation de chaleur

Un point fort important de ces dernières années a été le développement de systèmes de couches nanomulticouches à partir de systèmes de brasage classiques comme le cuivre, l'argent, l'argent-cuivre ou l'aluminium-silicium : "Grâce à l'abaissement du point de fusion et à la diffusion rapide à l'échelle nanométrique, ces matériaux de brasage offrent la possibilité de réaliser des processus d'assemblage beaucoup plus rapidement et à des températures nettement plus basses qu'avec les procédés de brasage conventionnels", explique Janczak-Rusch.
Mais les couches nanomoléculaires peuvent également être utilisées à d'autres endroits dans le processus d'assemblage : Avec le projet FNS-NCN Lead Agency récemment approuvé "Development of submicro- and nanostructured Cu-Mo composites with tailored properties for thermal management", l'équipe Advanced Joining Technologies se consacre au problème brûlant de la dissipation de la chaleur dans les composants électroniques miniaturisés.
"Les propriétés intéressantes des matériaux composites cuivre-molybdène ont déjà été utilisées dans la construction d'une source d'ions pour la mission JUICE de l'Agence spatiale européenne (ESA)", explique Hans Rudolf Elsener, chercheur à l'Empa spécialisé dans les missions spatiales. En collaboration avec des chercheurs polonais, il s'agit maintenant d'étudier de manière ciblée le potentiel des systèmes multicouches Cu-Mo nanostructurés en tant que puits de chaleur et de développer des processus d'assemblage appropriés pour leur intégration.

Glossaire des techniques d'assemblage

Brasage : les matériaux de base sont assemblés en faisant fondre un matériau supplémentaire, le métal d'apport. Les pièces elles-mêmes ne sont pas fusionnées ou fondues lors du processus. Jusqu'à 450 degrés Celsius, on parle de brasage tendre (angl. soldering), au-delà de 450 degrés de brasage fort (angl. brazing).
Soudage (angl. welding) : Contrairement au brasage, les pièces sont partiellement fondues et sont directement reliées entre elles après refroidissement. Des matériaux de remplissage sont souvent introduits dans le joint de soudure afin d'augmenter la quantité de métal fondu.
Le nano-assemblage (en anglais nanojoining) est une nouvelle discipline scientifique. Elle comprend d'une part des techniques d'assemblage pour relier des nano-objets et d'autre part de nouveaux processus d'assemblage très performants basés sur les nano-effets. L'Empa est l'un des principaux acteurs de cette nouvelle discipline et est membre fondateur et siège principal de l'association internationale "Nano- & Microjoining Association".

Adresse pour l'envoi de questions

Prof. Dr. Jolanta Janczak-Rusch
Joining Technologies and Corrosion
Tél. +41 58 765 4529
jolanta.janczak-rusch@empa.ch

Dr. Bastian Rheingans
Joining Technologies and Corrosion
Tél. +41 58 765 4371
bastian.rheingans@empa.ch