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在电导率和载流量方面

2020-01-04 13:05

日本产业技术综合研究所开发出了一种新材料,通过组合单层碳纳米管和铜,实现了与铜同等的电导率,以及约达到铜100倍的载流量。该研究所表示,这种CNT-Cu复合材料不仅可以通过大电流,而且重量轻、耐高温,因此可以作为超小型高性能半导体芯片的布线材料使用。

目前为止,半导体芯片的总体布线及芯片间布线材料一般使用铜、铝、金等金属。不过,这些金属的电导率虽然较高,但载流量不一定很大。施加一定数值以上的高电压时,这种电压会导致原子结构崩溃,就会造成电阻急剧增大,最终导致导线断裂。

图1 利用CNT和Cu组成的钢筋混凝土突破阻碍

在电导率和载流量方面,新材料兼具CNT的高载流量和Cu的高电导率。此前人们并未找到同时具备高载流量和高电导率的材料,而CNT-Cu复合材料同时实现了两种特性。

从用途方面来看,随着微细化技术的进步,半导体芯片等的布线要求的载流量也逐渐增大。产综研表示,到2015年,所需载流量将达到Cu和Au无法实现的100万A/cm2。

而CNT及石墨烯等纳米碳材料则拥有高达10亿A/cm2左右的载流量。这是因为碳原子之间具有很强的耦合能力,就算施加很高的电压,也很难导致原子结构崩溃。但是,这种材料的电导率却不到Cu和Au的1/100。此前,研究人员一直都没有找到载流量与CNT相当且电导率与Cu同等的材料。

CNT可抑制Cu的扩散

CNT-Cu复合材料由CNT和Cu组合而成,首次同时实现了上述两种特性。其载流量为6.3108A/cm2,高达Cu的约100倍。

图2 电导率在高温下也不易降低

CNT-Cu复合材料与Cu在不同温度下的电导率变化。CNT-Cu复合材料与Cu相比,温度造成的电导率变化较小。

产综研表示,新材料之所以能够获得如此高的载流量,是因为CNT可抑制Cu的扩散。在这种CNT-Cu复合材料中,CNT和Cu形成了像铁筋混泥土一样的结构,CNT起到了增强在高电压下Cu的强度的作用。

在常温下,这种复合材料的电导率与Cu相当。但即便在200℃左右的高温下,新材料的电导率也不会明显降低,这一点比Cu还要出色。

据产综研介绍,新材料的制作工艺基本上是在含有Cu离子的溶液中对CNT进行电镀处理。关键点是在有机类溶液中以1m~5mA/cm2的电流密度缓慢对CNT进行电镀处理,而不是在水溶液中快速进行镀铜处理。这样便可在CNT构造体内部填充Cu。

图3 采用溶液工艺制造

CNT-Cu复合材料的制造工艺概要。将产综研与日本瑞翁等开发的垂直配向单层CNT改为水平配向后,先后在有机类溶液和水溶液中进行镀铜处理制作而成。

目前存在1000倍以上的价格差距

这种复合材料存在的最大问题是单层CNT的成本还很高。目前单层CNT的成本为1000日元~1万日元/g,与4300日元/g左右的Au差不多。而Cu的成本却只有约0.76日元/g,单层CNT与之存在极大的价格差距。

产综研此次在制造单层CNT时,采用了该研究所与日本瑞翁等公司联合开发的超速成长法,这是一种可制造高纯度单层CNT的工艺。瑞翁计划从2015年开始采用超速成长法正式量产单层CNT。将来有可能将制造成本降至10日元/g左右。

产综研表示,今后将与制造厂商联合开发新材料的具体用途,推进实用化。

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