Nell'elettronica, la saldatura viene utilizzata per collegare due parti insieme. Come un ponte, una delle sue funzioni più importanti è quella di trasferire il calore lontano dai componenti elettronici critici e verso il dissipatore di calore, che utilizza aria o acqua per dissipare il calore in modo sicuro. Poiché i progressi tecnologici consentono la creazione di computer ed elettronica più piccoli e potenti, e con temperature nei chip dei computer che raggiungono più di 100 °C, questa funzione di dissipazione del calore è diventata più cruciale che mai.

Però, le saldature convenzionali stanno raggiungendo il limite della loro capacità di condurre il calore in modo efficace per una lunga durata, rendendo la dissipazione del calore un fattore limitante per l'ulteriore sviluppo informatico ed elettronico. Se questi campi devono avanzare ulteriormente, questo collo di bottiglia cruciale dovrà essere superato.

Inserisci "supersaldatura".

Il prodotto di un DARPA Young Faculty Award 2013, supersaldare è un materiale di interfaccia termica (TIM) sviluppato da Sheng Shen, professore associato di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon, in collaborazione con ricercatori del National Renewable Energy Laboratory. Quattro anni di lavoro hanno portato alla creazione di un materiale che può ricoprire lo stesso ruolo delle saldature convenzionali, ma con una conduttanza termica doppia rispetto agli attuali TIM di ultima generazione.

Il segreto dietro la svolta di Shen sono gli array di nanofili rame-stagno.

"I nanofili sono cresciuti da un modello, come uno stampo, utilizzando pori piccoli, " dice Shen. "È la tecnologia dei chip che utilizza la galvanica, cresciuto uno strato alla volta, come rivestire un cavo elettrico immergendolo nell'elettrolita."

L'array risultante mostra notevoli proprietà termiche, impareggiabile da qualsiasi materiale di saldatura corrente. Però, non è solo la sua conduttanza termica a rendere unica la supersaldatura.

Supersaldare mostra anche una conformità straordinaria, o elasticità, pari a quello della gomma o di altri polimeri. Questo è importante, poiché le parti che la saldatura collega si espandono e si contraggono quando vengono riscaldate, spesso a velocità variabili tra due parti di diversa composizione. La diminuzione della conformità è spesso la rovina delle saldature convenzionali, man mano che diventano fragili per l'uso ripetuto, degradando la loro capacità di condurre il calore nel tempo. Secondo Shen, la conformità della supersaldatura è superiore a questi materiali di due o tre ordini di grandezza.

Un esperimento condotto dal suo team ha confrontato un gruppo di saldatura con un gruppo di saldatura convenzionale di stagno. Mentre la saldatura convenzionale ha iniziato a diminuire nella conduttanza termica dopo meno di 300 ore di ciclo, la supersaldatrice ha continuato a funzionare alla massima conduttanza termica dopo oltre 600 ore. Infatti, si è comportato così bene che i suoi limiti esatti sono ancora sconosciuti.

"Sappiamo che può andare avanti, " dice Shen. "L'unico motivo per cui abbiamo terminato l'esperimento è stato perché dovevamo pubblicare il giornale!"

Mentre i limiti superiori della capacità di supersaldatura sono ancora in fase di esplorazione, le sue potenziali applicazioni future sono evidenti. Supersaldatrice potrebbe sostituire la saldatura convenzionale in sistemi elettronici che vanno dall'elettronica micro e portatile ai data center di dimensioni di magazzino, riducendo le temperature per consentire miglioramenti significativi nella densità di potenza e nell'affidabilità. Tutto ciò che può fare la saldatura convenzionale, il supersaldatore può fare di meglio, quasi.

Mentre Shen è molto soddisfatto dei risultati della supersaldatura, il suo lavoro non è ancora completo; vede ancora margini di miglioramento. Il materiale è elettricamente conduttivo:un attributo indesiderabile in determinate applicazioni. Perciò, il suo prossimo obiettivo è creare una versione di supersaldatura che possa mantenere la sua conduttanza termica, mentre funge da isolante elettrico.

Dopo quattro anni di lavoro, c'è poco che potrebbe dissuaderlo dal perfezionare il suo materiale.

"L'idea è molto semplice:hai una sfida, e continui a provare finché non lo fai funzionare."