Kolnanorör är bäst för elektronik i 3D
Forskare på Chalmers har demonstrerat att två chip kan staplas på varandra och kopplas ihop med kolnanorör som går igenom chippen. Detta nya tredimensionella byggsätt för elektronik förbättrar möjligheterna till 3D-integration av kretsar, en av de mest lovande metoderna för att förminska elektroniken och ge den bättre prestanda.
Tredimensionella byggsätt är ett hett område inom elektroniken, eftersom det är ett bra sätt att packa komponenter tätt och därmed bygga små och välfungerande enheter. När man staplar chip på höjden är det mest effektivt att förbinda dem med elektriskt ledande pluggar som går igenom chipen (i stället för med metalltrådar längs sidorna) – så kallade viaöverföringar.
Hittills har industrin mest riktat in sig på att använda koppar för detta ändamål, men koppar har flera nackdelar som kan begränsa tillförlitligheten hos 3D-elektronik. Ett annat stort problem är kylningen när chippen blir varma, och här kan kolnanorörens mycket goda termiska egenskaper spela en avgörande roll.
En forskargrupp på Chalmers arbetar därför med kolnanorör som ledningsmaterial vid viaöverföring. Kolnanorör – alltså rör av grafen, vars väggar bara är en atom tjocka – kommer att bli det mest tillförlitliga av alla ledningsmaterial om det går att använda i stor skala. Det säger Kjell Jeppson som ingår i forskargruppen.
– Kolnanorör är mycket bättre än koppar, både på att leda bort värme och på att leda elektrisk ström. Dessutom passar kolnanorör bättre ihop med kisel rent mekaniskt. Det utvidgar sig ungefär lika mycket som det omgivande kislet, till skillnad från koppar som utvidgar sig mer, vilket skapar mekaniska spänningar som gör att komponenterna kan gå sönder.
Forskarna har demonstrerat att två chip kan förbindas i vertikalled med viapluggar av kolnanorör, och att chipen kan fogas samman. De har också demonstrerat att samma metod kan användas för elektrisk förbindning mellan chippet och kapseln.
Doktoranden Teng Wang – som disputerar 12 december – har arbetat med tillverkningen. Han har utvecklat en teknik för att fylla viagenomföringarna med tusentals kolnanorör, för att sedan limma ihop chippen så att kolnanorören får kontakt med varandra och kan leda ström genom chipen.
– En svårighet är att få fram kolnanorör med perfekta egenskaper och med den längd som vi behöver för att nå igenom chippet, säger han. Vi har fått fram rör som är 200 mikrometer långa, vilket kan jämföras med att diametern bara är 10 nanometer. Men deras egenskaper är ännu inte perfekta.
För att metoden ska kunna överföras till industriell tillverkning krävs det bland annat att man får ner tillverkningstemperaturen till max 450 grader. Det är en stor utmaning, eftersom ”odlingen” av kolnanorör idag sker vid minst 700 grader.
Om det lyckas öppnar sig helt nya möjligheter för en fortsatt miniatyrisering av elektroniken – och inte minst till förbättrade prestanda. Det tredimensionella byggsättet med viaöverföring ger betydligt snabbare signalöverföring än det traditionella byggsättet där chip placeras bredvid varandra. Dessutom skulle viaöverföring med kolnanorör ge en billigare tillverkning jämfört med dagens teknik med kopparförbindningar.
– Inom industrin pågår en hel del projekt med 3D-integration, men eftersom de använder koppar kan de få problem med både kylning och tillförlitlighet, säger Kjell Jeppson. Om vår metod fungerar storskaligt gissar jag att den kommer att finnas i produktion inom fem år.
Bildtext: Två chip har försetts med pluggar som har fyllts med tusentals kolnanorör. Sedan har chippen limmats ihop så att kolnanorören har fått kontakt med varandra. Till höger syns anslutningen mellan två sådana pluggar.
Bildcredit: Teng Wang, Kjell Jeppson, Lilei Ye, Johan Liu. Carbon-Nanotube Through-Silicon Via Interconnects for Three-Dimensional Integration. Small, 2011, Volume 7, pages 2313–2317. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.
Doktorsavhandlingen som försvaras 12 december [Ref 1]
Läs forskarnas artikel i den vetenskapliga tidskriften Small:
Carbon-Nanotube Through-Silicon Via Interconnects for Three-Dimensional Integration
Chalmers i Göteborg forskar och utbildar inom teknik, naturvetenskap och arkitektur, med en hållbar framtid som allomfattande vision. Chalmers är känt för sin effektiva innovationsmiljö och har åtta styrkeområden av internationell dignitet – Energi, Informations- och kommunikationsteknologi, Livsvetenskaper, Materialvetenskap, Nanovetenskap och nanoteknologi, Produktion, Samhällsbyggnad och Transport.
Kontaktinformation
För mer information, kontakta:
Kjell Jeppson, Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, 031-772 1856, kjell.jeppson@chalmers.se
Teng Wang, Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, 031-772 3092, teng.wang@chalmers.se
