La technologie de pointe de demain aura besoin d'une électronique capable de tolérer des conditions extrêmes. C'est pourquoi un groupe de chercheurs dirigé par Jason Nicholas de la Michigan State University construit aujourd'hui des circuits plus solides.

Nicholas et son équipe ont développé des circuits en argent plus résistants à la chaleur avec l'aide du nickel. L'équipe a décrit le travail le 15 avril dans le journal Scripta Materialia .

Les types d'appareils dont l'équipe MSU s'efforce de bénéficier :piles à combustible de nouvelle génération, semi-conducteurs à haute température et cellules d'électrolyse à oxyde solide - pourraient avoir des applications dans l'automobile, industries de l'énergie et de l'aérospatiale.

Bien que vous ne puissiez pas acheter ces appareils dans le commerce maintenant, les chercheurs les construisent actuellement en laboratoire pour les tester dans le monde réel, et même sur d'autres planètes.

Par exemple, La NASA a développé une cellule d'électrolyse à oxyde solide qui a permis au Mars 2020 Perseverance Rover de fabriquer de l'oxygène à partir de gaz dans l'atmosphère martienne le 22 avril. La NASA espère que ce prototype conduira un jour à un équipement permettant aux astronautes de créer du carburant pour fusée et de l'air respirable sur Mars. .

Pour aider ces prototypes à devenir des produits commerciaux, bien que, ils devront maintenir leurs performances à des températures élevées sur de longues périodes de temps, dit Nicolas, professeur agrégé au Collège d'ingénierie.

Il a été attiré par ce domaine après des années d'utilisation de piles à combustible à oxyde solide, qui fonctionnent comme des cellules d'électrolyse à oxyde solide à l'envers. Plutôt que d'utiliser de l'énergie pour créer des gaz ou du carburant, ils créent de l'énergie à partir de ces produits chimiques.

« Les piles à combustible à oxyde solide fonctionnent avec des gaz à haute température. Nous sommes capables de réagir électrochimiquement ces gaz pour extraire l'électricité et ce processus est beaucoup plus efficace que l'explosion de carburant comme le fait un moteur à combustion interne. " dit Nicolas, qui dirige un laboratoire au département de génie chimique et science des matériaux.

Mais même sans explosions, la pile à combustible doit résister à des conditions de travail intenses.

"Ces appareils fonctionnent généralement autour de 700 à 800 degrés Celsius, et ils doivent le faire pendant longtemps—40, 000 heures sur leur durée de vie, " dit Nicolas. A titre de comparaison, ça fait environ 1, 300 à 1, 400 degrés Fahrenheit, ou environ le double de la température d'un four à pizza commercial.

"Et au cours de cette vie, vous le faites thermiquement, " dit Nicholas. " Tu le refroidis et tu le réchauffes. C'est un environnement très extrême. Vous pouvez faire sauter les fils du circuit."

Ainsi, l'un des obstacles à cette technologie de pointe est plutôt rudimentaire :les circuits conducteurs, souvent en argent, doit mieux coller aux composants céramiques sous-jacents.

Le secret pour améliorer l'adhérence, les chercheurs ont trouvé, consistait à ajouter une couche intermédiaire de nickel poreux entre l'argent et la céramique.

En réalisant des expériences et des simulations informatiques sur la façon dont les matériaux interagissent, l'équipe a optimisé la façon dont elle a déposé le nickel sur la céramique. Et pour créer le mince, couches de nickel poreux sur la céramique selon un motif ou un dessin de leur choix, les chercheurs se sont tournés vers la sérigraphie.

"C'est la même sérigraphie qui sert à faire des T-shirts, " a déclaré Nicholas. "Nous ne faisons que de la sérigraphie électronique au lieu de chemises. C'est une technique très favorable à la fabrication."

Une fois le nickel en place, l'équipe le met en contact avec de l'argent fondu à une température d'environ 1, 000 degrés Celsius. Le nickel résiste non seulement à cette chaleur - son point de fusion est de 1, 455 degrés Celsius, mais il distribue également l'argent liquéfié uniformément sur ses traits fins en utilisant ce qu'on appelle l'action capillaire.

"C'est presque comme un arbre, " dit Nicolas. " Un arbre fait monter l'eau jusqu'à ses branches par capillarité. Le nickel évacue l'argent fondu via le même mécanisme."

Une fois l'argent refroidi et solidifié, le nickel le maintient verrouillé sur la céramique, même dans la chaleur de 700 à 800 degrés Celsius, il ferait face à l'intérieur d'une pile à combustible à oxyde solide ou d'une cellule d'électrolyse à oxyde solide. Et cette approche a également le potentiel d'aider d'autres technologies, où l'électronique peut chauffer.

« Il existe une grande variété d'applications électroniques qui nécessitent des cartes de circuits imprimés capables de résister à des températures élevées ou à une puissance élevée, " a déclaré Jon Debling, un responsable technologique chez MSU Technologies, Bureau de transfert et de commercialisation de la technologie de l'État du Michigan. « Il s'agit d'applications existantes dans l'automobile, aérospatial, marchés industriels et militaires, mais aussi de plus récents tels que les cellules solaires et les piles à combustible à oxyde solide."

En tant que responsable technologique, Debling travaille à commercialiser les innovations Spartan et il travaille pour aider à breveter ce processus pour créer une électronique plus robuste.

"Cette technologie est une amélioration significative - en termes de coût et de stabilité de la température - par rapport aux technologies existantes de dépôt de pâte et de vapeur, " il a dit.

Pour sa part, Nicholas reste très intéressé par les applications de pointe à l'horizon, des choses comme les piles à combustible à oxyde solide et les cellules d'électrolyse à oxyde solide.

"Nous travaillons à améliorer leur fiabilité ici sur Terre et sur Mars, " dit Nicolas.