COMET (Novel interlayer alloys for bonding high-conductivity metals to silicon using laser powder bed fusion) è stato recentemente completato con successo. Il progetto è stato finanziato dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) e coordinato dal Politecnico di Milano sotto la supervisione del Prof. Riccardo Casati, in collaborazione con l’Università di Twente. COMET ha affrontato una delle sfide più critiche nel campo della gestione termica dei dispositivi elettronici ad alta potenza: l’integrazione diretta e affidabile di sistemi di raffreddamento metallici su substrati di silicio.
Il continuo aumento della densità di potenza nell’elettronica moderna, in particolare nelle applicazioni spaziali e aeronautiche, impone requisiti senza precedenti alle soluzioni di gestione termica. Una dissipazione del calore efficiente è essenziale per garantire l’affidabilità, la vita utile e le prestazioni dei dispositivi in condizioni operative estreme. Le architetture di raffreddamento convenzionali si basano tipicamente su TIM (Thermal Interface Materials), strati adesivi o sistemi di fissaggio meccanico. Sebbene ampiamente utilizzati, questi approcci introducono resistenze termiche aggiuntive, riducono l’efficienza di trasferimento del calore e possono degradarsi nel tempo a causa di cicli termici, sollecitazioni meccaniche o ambienti operativi severi.
COMET ha proposto una soluzione radicalmente innovativa per superare tali limitazioni, eliminando questa tipologia di interfacce. Il progetto ha esplorato la produzione additiva di dissipatori di calore e strutture di raffreddamento metallici su substrati di silicio mediante la tecnologia Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Questo approccio ha il potenziale di creare percorsi termici altamente efficienti tra la sorgente di calore e il sistema di raffreddamento, migliorando significativamente le prestazioni termiche dell’intero sistema.
Il fulcro del progetto è stato lo sviluppo di leghe metalliche in grado di fungere da ponte termico tra il silicio e metalli ad alta conducibilità termica, come l’alluminio, comunemente impiegato nella realizzazione di scambiatori di calore. Tali interstrati sono stati progettati per garantire stabilità termodinamica e compatibilità chimica, mitigando al contempo problematiche dovute alla differenza dei coefficienti di espansione termica di silicio e alluminio, la formazione di intermetallici fragili e l’innesco di cricche durante il processo.
Il consorzio ha adottato un approccio integrato e multidisciplinare, combinando modellazione della termodinamica, il design di leghe e polveri metalliche, lo sviluppo del processo LPBF e la caratterizzazione avanzata dei materiali. Il comportamento meccanico, l’evoluzione microstrutturale, la qualità metallurgica del legame all’interfaccia sono stati analizzati in modo sistematico, dimostrando con successo la fattibilità della realizzazione di giunzioni metallo/silicio robuste e prive di cricche, con prestazioni termiche e meccaniche promettenti.
Nella fase finale del progetto è stato realizzato anche un dimostratore proof-of-concept. Strutture di micro-raffreddamento complesse, caratterizzate da geometrie articolate rese possibili dalla produzione additiva, sono state stampate direttamente su wafer di silicio, evidenziando la libertà progettuale e l’integrazione funzionale offerte dall’approccio proposto. Nel complesso, COMET ha posto solide basi scientifiche e tecnologiche per sviluppi futuri orientati allo sfruttamento industriale. Oltre all’elettronica per lo spazio, i risultati aprono nuove prospettive per un’ampia gamma di applicazioni, tra cui data center, veicoli elettrici, elettronica di potenza e sistemi energetici avanzati, nei quali una gestione termica efficiente, compatta e affidabile rappresenta un fattore abilitante fondamentale.