Kolnanorör talar för elektronik i 3D

Två chips kan staplas på varandra och kopplas ihop elektriskt med viahål i form av kolnanorör. Det har forskare på Chalmers lyckats demonstrera. De menar att kolnanorör har betydligt bättre egenskaper för viahål än koppar.

– Kolnanorör är mycket bättre än koppar, både på att leda bort värme och på att leda elektrisk ström, säger Kjell Jeppson som ingår i forskargruppen på Chalmers som utvecklat den nya viahålstekniken.

Ytterligare en fördel är att kolnanorör – alltså rör av grafen, vars väggar bara är en atom tjocka – rent mekaniskt passar bättre ihop med kisel än vad koppar gör.

– Kolnanoröret 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, förklarar Kjell Jeppson.

Den tredje dimensionen har så sakteliga börjat tas i bruk i halvledarsammanhang och idag är det inte ovanligt att stapla två kanske tre chips i samma kapsel.

Men blickar man framåt så är det helt andra 3D-arkitekturer som lockar. Det finns visioner om att kunna stapla tiotals, kanske uppemot hundra chips, vilket skulle göra att det går att exempelvis bygga halvledare med tusen gånger högre prestanda än dagens. En av de svåraste utmaningarna är dock att leda bort värmen som alstras i kretsarna. Det är också anledningen till att kolnanorörets goda värmeledningsförmåga är extra lockande i detta sammanhang.

På Chalmers har en forskargrupp nu lyckats visat att två chips kan förbindas i vertikalled med viahål av kolnanorör. De har också demonstrerat att samma metod kan användas för att elektriskt förbinda chipset med själva kapseln.

– En svårighet är att få fram kolnanorör med perfekta egenskaper och med den längd som vi behöver för att nå igenom chippet. Vi har fått fram rör som är 200 µm långa, vilket kan jämföras med att diametern bara är 10 nm. Men deras egenskaper är ännu inte perfekta, säger Teng Wang, doktorand på Chalmers.

Teng Wang har arbetat med tillverkningen av viahålen. Han har utvecklat en teknik för att fylla hålen med tusentals kolnanorör, för att sedan limma ihop chipsen så att kolnanorören får kontakt med varandra och kan leda ström rakt igenom.

Chalmers tillverkningsmetod är inte färdig för industrialisering ännu. För att komma dit krävs bland annat att man kan tillverka kolnanorören vid en betydligt lägre temperatur. Idag behöver tillverkningsprocessen minst 700°C. Innan ett kommersiellt genombrott är att tänka på måste den åtminstone ner till 450°C, vilket forskarna dock tror går att nå.

– Om vår metod fungerar storskaligt gissar jag att den kommer att finnas i produktion inom fem år, säger Kjell Jeppson.