Un lato positivo per l'elettronica estrema

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I ricercatori della MSU hanno sviluppato un processo per creare circuiti più resilienti, che hanno dimostrato creando un casco Spartan argento. Il circuito è stato progettato da Jane Manfredi, assistente professore presso il College of Veterinary Medicine. Credito: Acta Materialia Inc./Elsevier

Abstract:
La tecnologia all'avanguardia di domani avrà bisogno di un'elettronica in grado di tollerare condizioni estreme. Ecco perché un gruppo di ricercatori guidato da Jason Nicholas della Michigan State University sta costruendo circuiti più forti oggi.

Un rivestimento d'argento per l'elettronica estrema

East Lansing, MI | Pubblicato il 30 aprile 2021

Nicholas e il suo team hanno sviluppato circuiti in argento più resistenti al calore con un aiuto del nichel. Il team ha descritto il lavoro, finanziato dal Programma delle celle a combustibile a ossidi solidi del Dipartimento per l'energia degli Stati Uniti, il 15 aprile sulla rivista Scripta Materialia.

I tipi di dispositivi che il team MSU sta lavorando per trarre vantaggio - celle a combustibile di nuova generazione, semiconduttori ad alta temperatura e celle di elettrolisi a ossido solido - potrebbero avere applicazioni nei settori automobilistico, energetico e aerospaziale.

Sebbene non sia possibile acquistare questi dispositivi dallo scaffale ora, i ricercatori li stanno attualmente costruendo in laboratori per testarli nel mondo reale e persino su altri pianeti.

Ad esempio, il 2020 aprile la NASA ha sviluppato una cella di elettrolisi a ossido solido che ha permesso al Mars 22 Perseverance Rover di produrre ossigeno dal gas nell'atmosfera marziana il XNUMX aprile. La NASA spera che questo prototipo un giorno porterà ad apparecchiature che consentano agli astronauti di creare carburante per missili e aria respirabile. mentre su Marte.

Per aiutare tali prototipi a diventare prodotti commerciali, tuttavia, dovranno mantenere le loro prestazioni a temperature elevate per lunghi periodi di tempo, ha affermato Nicholas, professore associato presso il College of Engineering.

È stato attratto da questo campo dopo anni di utilizzo di celle a combustibile a ossido solido, che funzionano come celle di elettrolisi a ossido solido al contrario. Invece di usare l'energia per creare gas o carburante, creano energia da quelle sostanze chimiche.

“Le celle a combustibile a ossido solido funzionano con i gas ad alta temperatura. Siamo in grado di reagire elettrochimicamente a quei gas per far uscire l'elettricità e quel processo è molto più efficiente dell'esplosione del carburante come fa un motore a combustione interna ", ha detto Nicholas, che dirige un laboratorio presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Scienza dei Materiali.

Ma anche senza esplosioni, la cella a combustibile deve resistere a condizioni di lavoro intense.

"Questi dispositivi normalmente funzionano da 700 a 800 gradi Celsius e devono farlo per un lungo periodo - 40,000 ore nel corso della loro vita", ha detto Nicholas. Per fare un confronto, si tratta di circa 1,300 a 1,400 gradi Fahrenheit, o circa il doppio della temperatura di un forno per pizza commerciale.

"E in quella vita, stai ciclando termicamente", ha detto Nicholas. «Lo stai raffreddando e lo stai riscaldando di nuovo. È un ambiente molto estremo. Puoi far scattare i cavi del circuito. "

Pertanto, uno degli ostacoli che deve affrontare questa tecnologia avanzata è piuttosto rudimentale: i circuiti conduttivi, spesso realizzati in argento, devono aderire meglio ai componenti ceramici sottostanti.

Il segreto per migliorare l'adesione, hanno scoperto i ricercatori, era aggiungere uno strato intermedio di nichel poroso tra l'argento e la ceramica.

Eseguendo esperimenti e simulazioni al computer di come interagiscono i materiali, il team ha ottimizzato il modo in cui ha depositato il nichel sulla ceramica. E per creare gli strati sottili e porosi di nichel sulla ceramica in un modello o disegno di loro scelta, i ricercatori si sono rivolti alla serigrafia.

"È la stessa serigrafia che viene utilizzata per realizzare le magliette", ha detto Nicholas. “Stiamo solo serigrafia elettronica invece di camicie. È una tecnica molto adatta alla produzione. "

Una volta che il nichel è a posto, il team lo mette in contatto con l'argento che è fuso a una temperatura di circa 1,000 gradi Celsius. Il nichel non solo resiste al calore - il suo punto di fusione è di 1,455 gradi Celsius - ma distribuisce anche l'argento liquefatto uniformemente sulle sue caratteristiche fini usando quella che viene chiamata azione capillare.

"È quasi come un albero", disse Nicholas. “Un albero porta l'acqua fino ai suoi rami tramite un'azione capillare. Il nichel sta assorbendo l'argento fuso tramite lo stesso meccanismo. "

Una volta che l'argento si raffredda e si solidifica, il nichel lo mantiene bloccato sulla ceramica, anche nel calore da 700 a 800 gradi Celsius che dovrebbe affrontare all'interno di una cella a combustibile a ossido solido o in una cella di elettrolisi a ossido solido. E questo approccio ha anche il potenziale per aiutare altre tecnologie, dove l'elettronica può surriscaldarsi.

"Esiste un'ampia varietà di applicazioni elettroniche che richiedono circuiti stampati in grado di sopportare temperature elevate o potenze elevate", ha affermato Jon Debling, responsabile tecnologico di MSU Technologies, l'ufficio per il trasferimento tecnologico e la commercializzazione del Michigan State. "Queste includono le applicazioni esistenti nei mercati automobilistico, aerospaziale, industriale e militare, ma anche quelle più recenti come le celle solari e le celle a combustibile a ossido solido".

In qualità di manager della tecnologia, Debling lavora per commercializzare le innovazioni Spartan e sta lavorando per aiutare a brevettare questo processo per la creazione di elettronica più robusta.

"Questa tecnologia rappresenta un miglioramento significativo - in termini di stabilità dei costi e della temperatura - rispetto alle tecnologie di deposizione di pasta e vapore esistenti", ha affermato.

Da parte sua, Nicholas rimane molto interessato a quelle applicazioni all'avanguardia all'orizzonte, cose come le celle a combustibile a ossido solido e le celle di elettrolisi a ossido solido.

"Stiamo lavorando per migliorare la loro affidabilità qui sulla Terra - e su Marte", ha detto Nicholas.

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Al progetto hanno contribuito anche i ricercatori di ingegneria spartana, il professor Hui-Chia Yu, il professor Timothy Hogan e il professor Thomas Bieler. I ricercatori laureati del progetto includevano Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, Jiyun Park, Robert Termuhlen e Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande e Ma si sono laureati).

Anche uno dei coleader del progetto alla Brown University, il professor Yue Qi, ha legami con la MSU. Ha servito come docente e preside associato inaugurale di inclusione e diversità nel College of Engineering fino al 2020.

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Contatti:
Caroline Brooks

@MSUnews

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