Ein Silberstreifen für extreme Elektronik

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MSU-Forscher entwickelten ein Verfahren zur Herstellung widerstandsfähigerer Schaltkreise, das sie anhand eines silbernen spartanischen Helms demonstrierten. Die Schaltung wurde von Jane Manfredi, einer Assistenzprofessorin am College of Veterinary Medicine, entworfen. Bildnachweis: Acta Materialia Inc./Elsevier

Abstract:
Die Spitzentechnologie von morgen erfordert Elektronik, die extreme Bedingungen verträgt. Aus diesem Grund baut eine Gruppe von Forschern unter der Leitung von Jason Nicholas von der Michigan State University heute stärkere Schaltkreise.

Ein Silberstreifen für extreme Elektronik

East Lansing, MI | Veröffentlicht am 30. April 2021

Nicholas und sein Team haben mit Unterstützung von Nickel hitzebeständigere Silberschaltungen entwickelt. Das Team beschrieb die Arbeit, die am 15. April vom US-amerikanischen Energieministerium für Festoxid-Brennstoffzellen finanziert wurde, in der Zeitschrift Scripta Materialia.

Die Gerätetypen, an denen das MSU-Team arbeitet - Brennstoffzellen der nächsten Generation, Hochtemperaturhalbleiter und Festoxidelektrolysezellen - könnten in der Auto-, Energie- und Luftfahrtindustrie Anwendung finden.

Obwohl Sie diese Geräte derzeit nicht von der Stange kaufen können, bauen Forscher sie derzeit in Labors, um sie in der realen Welt und sogar auf anderen Planeten zu testen.

Zum Beispiel hat die NASA eine Festoxid-Elektrolysezelle entwickelt, mit der der Mars 2020 Perseverance Rover am 22. April Sauerstoff aus Gas in der Marsatmosphäre gewinnen konnte. Die NASA hofft, dass dieser Prototyp eines Tages zu Geräten führen wird, mit denen Astronauten Raketentreibstoff und atmungsaktive Luft erzeugen können während auf dem Mars.

Damit solche Prototypen zu kommerziellen Produkten werden können, müssen sie ihre Leistung über lange Zeiträume bei hohen Temperaturen halten, sagte Nicholas, Associate Professor am College of Engineering.

Er wurde von diesem Gebiet angezogen, nachdem er jahrelang Festoxid-Brennstoffzellen verwendet hatte, die umgekehrt wie Festoxid-Elektrolysezellen arbeiten. Anstatt Energie zur Erzeugung von Gasen oder Brennstoffen zu verwenden, erzeugen sie Energie aus diesen Chemikalien.

„Festoxid-Brennstoffzellen arbeiten mit Gasen bei hohen Temperaturen. Wir sind in der Lage, diese Gase elektrochemisch zu reagieren, um Elektrizität herauszuholen, und dieser Prozess ist viel effizienter als das Explodieren von Kraftstoff wie ein Verbrennungsmotor “, sagte Nicholas, der ein Labor in der Abteilung für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften leitet.

Aber auch ohne Explosionen muss die Brennstoffzelle intensiven Arbeitsbedingungen standhalten.

"Diese Geräte arbeiten normalerweise bei 700 bis 800 Grad Celsius und müssen dies für eine lange Zeit tun - 40,000 Stunden im Laufe ihres Lebens", sagte Nicholas. Zum Vergleich: Das sind ungefähr 1,300 bis 1,400 Grad Fahrenheit oder ungefähr die doppelte Temperatur eines handelsüblichen Pizzaofens.

"Und während dieses Lebens radeln Sie es thermisch", sagte Nicholas. „Du kühlst es ab und heizst es wieder auf. Es ist eine sehr extreme Umgebung. Es kann sein, dass Stromkabel abfallen. “

Eine der Hürden für diese fortschrittliche Technologie ist daher eher rudimentär: Die oft aus Silber gefertigten leitenden Schaltkreise müssen besser an den darunter liegenden Keramikkomponenten haften.

Das Geheimnis zur Verbesserung der Haftung bestand darin, eine Zwischenschicht aus porösem Nickel zwischen Silber und Keramik hinzuzufügen.

Durch Experimente und Computersimulationen der Wechselwirkung der Materialien optimierte das Team die Ablagerung des Nickels auf der Keramik. Und um die dünnen, porösen Nickelschichten auf der Keramik in einem Muster oder Design ihrer Wahl zu erzeugen, wandten sich die Forscher dem Siebdruck zu.

"Es ist der gleiche Siebdruck, mit dem T-Shirts hergestellt werden", sagte Nicholas. „Wir drucken nur Elektronik anstelle von Hemden. Es ist eine sehr herstellungsfreundliche Technik. “

Sobald das Nickel vorhanden ist, bringt das Team es in Kontakt mit Silber, das bei einer Temperatur von etwa 1,000 Grad Celsius geschmolzen ist. Das Nickel hält nicht nur dieser Hitze stand - sein Schmelzpunkt beträgt 1,455 Grad Celsius -, sondern verteilt das verflüssigte Silber auch gleichmäßig über seine feinen Eigenschaften unter Verwendung der sogenannten Kapillarwirkung.

"Es ist fast wie ein Baum", sagte Nicholas. „Ein Baum bringt durch Kapillarwirkung Wasser bis zu seinen Ästen. Das Nickel saugt das geschmolzene Silber über denselben Mechanismus auf. “

Sobald das Silber abkühlt und sich verfestigt, hält das Nickel es an der Keramik fest, selbst bei einer Hitze von 700 bis 800 Grad Celsius, der es in einer Festoxid-Brennstoffzelle oder einer Festoxid-Elektrolysezelle ausgesetzt wäre. Und dieser Ansatz hat auch das Potenzial, anderen Technologien zu helfen, bei denen die Elektronik heiß laufen kann.

"Es gibt eine Vielzahl elektronischer Anwendungen, für die Leiterplatten erforderlich sind, die hohen Temperaturen oder hoher Leistung standhalten", sagte Jon Debling, Technologiemanager bei MSU Technologies, dem Technologietransfer- und Vermarktungsbüro des Bundesstaates Michigan. "Dazu gehören bestehende Anwendungen in den Bereichen Automobil, Luft- und Raumfahrt, Industrie und Militär, aber auch neuere Anwendungen wie Solarzellen und Festoxidbrennstoffzellen."

Als Technologiemanager arbeitet Debling daran, spartanische Innovationen zu kommerzialisieren, und er arbeitet daran, dieses Verfahren für die Entwicklung härterer Elektronik zu patentieren.

"Diese Technologie ist eine signifikante Verbesserung der Kosten- und Temperaturstabilität gegenüber bestehenden Pasten- und Gasphasenabscheidungstechnologien", sagte er.

Nicholas seinerseits ist nach wie vor am meisten an den neuesten Anwendungen am Horizont interessiert, beispielsweise an Festoxid-Brennstoffzellen und Festoxid-Elektrolysezellen.

"Wir arbeiten daran, ihre Zuverlässigkeit hier auf der Erde - und auf dem Mars - zu verbessern", sagte Nicholas.

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Zu dem Projekt trugen auch spartanische Ingenieurforscher, Assistenzprofessor Hui-Chia Yu, Professor Timothy Hogan und Professor Thomas Bieler bei. Zu den Doktoranden des Projekts gehörten Genzhi Hu, Quan Zhou, Aiswarya Bhatlawande, der Jiyun Park, Robert Termuhlen und Yuxi Ma (Zhou, Bhatlawande und Ma haben seitdem ihren Abschluss gemacht).

Professor Yue Qi, einer der Coleader des Projekts an der Brown University, ist ebenfalls mit der MSU verbunden. Sie war bis 2020 Fakultät und erste Dekanin für Inklusion und Vielfalt am College of Engineering.

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Caroline Brooks

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