שיטה חדשנית לחיווט רכיבי-אלקטרוניקה

מהנדסים מאוניברסיטת אילינוי בארה”ב פיתחו שיטה חדשנית לייצור של מחברים מתכתיים שיוכלו להוביל למזעור מעגלים מודפסים ולקידום תחום המיקרו-אלקטרוניקה

מהנדסים מאוניברסיטת אילינוי בארה”ב פיתחו שיטה חדשנית לייצור של מחברים מתכתיים שיוכלו להוביל למזעור מעגלים מודפסים ולקידום תחום המיקרו-אלקטרוניקה.

מעגלים משולבים מיוצרים ע”י שילוב של טרנזיסטורים ורכיבים אלקטרוניים רבים יחדיו לשם קבלת תפקודים מורכבים. החיבורים שבין שבבים לבין לוחות מודפסים מורכבים מתילי-מתכת שהוכנו מבעוד מועד ואשר מחוברים לאזור הדבקה ע”ג השבב. “תפקודים משולבים מחייבים חווטים מרובים. סוג זה של חיווט הינו מייגע, ממושך ויקר,” אמר Min-Feng Yu, פרופסור להנדסה מכאנית באוניברסיטת אילינוי.

בנוסף, אזור ההדבקה הזה תופס נפח נרחב. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת לעבר רכיבי אלקטרוניקה ממוזערים יותר ויותר, כך מזעור החיווט הופך למכשול משמעותי יותר ויותר. התקנים מיקרו-אלקטרוניים רבים קטנים הרבה יותר מאשר אזור החיבור שגודלו 50 מיקרונים ריבועיים, עובדה המונעת פיתוח פונקציות משולבות בקנה-מידה זערורי שכזה.

“לא קיימת היום שיטה חסכונית המאפשרת חיווט ושילוב של מיקרו-מבנים,” אמר החוקר הראשי, “אז בואו וניפטר מחוטים אלו כליל, ובמקום זאת מדוע שלא נייצר אותם באותו המקום בו הם נדרשים בין נקודות החיבור עצמן?”

החוקרים פיתחו שיטת ייצור ישירה להפקת חוטי מתכת טהורה דקיקים בגודל שהוא הרבה יותר קטן מזה הקיים בחוטים רגילים ואשר דורשים איזור חיבור שקטן מהם בשני סדרי-גודל. במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Science החוקרים הדגימו כיצד ניתן לשלב 20 חוטים חדשניים בתוך אזור חיבור רגיל יחיד.
השיטה החדשה תאפשר לחברות מסחריות להכין פיסות חומר מוליך למחצה שיכילו הרבה יותר שבבים בכל יחידת נפח/שטח. בנוסף, היא תאפשר לשלב פונקציות מורכבות יותר ברכיבי מיקרו-אלקטרוניקה. החוקרים הדגימו את השיטה שלהם הן עם חוטי פלטינה והן עם חוטי נחושת, ומתכוונים לבחון אותה גם עבור מתכות אחרות.

החוקר הראשי משווה את השיטה שלו לכתיבה בעזרת עט נובע. “אנשים רגילים לשרטט קו ע”ג משטח דו-מימדי, אולם מה שאנחנו עושים זה לכתוב בתלת-מימד,” הוא מוסיף. החוקרים מילאו מיקרו-פיפטה – התקן המסוגל להזרים כמויות קטנטנות של נוזל – בתמיסת אלקטרוליט המכילה נחושת. כאשר מקרבים את המיקרו-פיפטה קרוב מאוד למשטח, נוצר גשר נוזלי בין חוד הפיפטה לבין פיסת החיבור. בשלב הבא החוקרים מפעילים זרם חשמלי הגורם להשקעתה של הנחושת שבתמיסה כמתכת מוצקה. כל עוד שהחוד נע ע”ג המשטח, הנחושת ממשיכה וזורמת מהתמיסה למשטח, באופן דומה לצורה שבה דיו נובע מהעט, לקבלת חוט נחושת. האתגר הגדול של החוקרים היה לקבוע את מהירות ההזזה המתאימה של חוד הפיפטה בכדי לשמור על קבלתו של הגשר הנוזלי שבין הפיה לבין החוט “הצומח”.

“זהו נוזל, כך שניתן לעצבו בקלות,” מסביר החוקר. “כל עוד אתה שומר על המהירות בטווח המתאים, תמיד תוכל לייצר חוטי-מתכת אחידים באיכות גבוהה.”
בנוסף, החוקרים נאלצו לברר כיצד ניתן ל”חרוט” את החוטים באופן רוחבי לשם החיבור של שבב לשבב. הפיות של מיקרו-פיפטות רגילות הינן שטוחות בקצותיהן, אולם זווית הטיה גבוהה מדי עלולה “לשבור” את זרם הנוזל. החוקרים גילו כי פיה מחורצת, בעלת חתך של תשעים מעלות בצידה, מאפשרת תנועה רוחבית – כלומר ניתן ליצור מהחוטים תיל קשתי בין אתר חיבור אחד לשני, אפילו אם השבבים מסודרים בשכבות או בערימות. התהליך כולו אוטומאטי והחוקרים מקווים לפתח מערכים שלמים של מיקרו-פיפטות לייצור חיבורי-חוטים בקנה-מידה תעשייתי.
“היתרון הוא בכך שניתן לבצע את העבודה באופן מקבילי,” מסביר החוקר. “במקום פיה אחת, דמה בנפשך 10, 20 או אפילו 100 פיות הפועלות בו-זמנית. ניתן להכין עשרות או מאות חיבורים בשלב יחיד, ועובדה זו מביאה לחיסכון כלכלי רב.” בנוסף לחיבורי-חוטים, השיטה החדשנית תוכל להביא לפיתוחם של מיקרו-מבנים מתכתיים רבים עבור יישומים מגוונים.
“היכולת לייצר מבנים תלת-מימדיים מתכתיים באופן פשוט וזול יכולה לסלול את הדרך לפיתוח יישומים רבים,” מציין החוקר.

הידיעה מהאוניברסיטה