Китайские ученые создали супер-медную фольгу, которая решит проблему перегрева смартфонов

Помните прошлогодний ажиотаж вокруг замены меди на алюминий в бытовой технике из-за роста цен на медь? Многие тогда беспокоились, не ухудшится ли качество продукции. В промышленности к меди всегда относились двойственно: характеристики отличные, но цена значительно выше, чем у алюминия или железа.

Однако, в отличие от обычных медных труб для кондиционеров и холодильников, настоящим узким местом для высокотехнологичного производства стала высококачественная медная фольга толщиной всего 10 микрон (примерно 1/7 человеческого волоса) и чистотой более 99,9%. Особенно остро потребность в такой фольге ощущается в самых горячих сейчас областях — AI-серверах и электромобилях, где спрос на нее практически бездонный.

Один электромобиль потребляет 83 кг меди — в 3,6 раза больше, чем автомобиль с ДВС. В одном стоечном шасси NVL72 от Nvidia используется 5000 медных кабелей NVLink общей длиной 3000 метров. Полноценной замены меди пока не найдено, поэтому производителям приходится постоянно совершенствовать ее свойства, делая ее прочнее, тоньше и стабильнее.

Однако на пути стоит так называемый «невозможный треугольник» материаловедения: невозможно одновременно добиться сверхвысокой прочности, высокой электропроводности и превосходной термической стабильности.

Хотите сделать медь прочнее? Придется уменьшить размер зерен, но тогда электроны будут «биться о стены» в этом лабиринте, и проводимость резко упадет. Удалось получить прочную и токопроводящую нанокристаллическую медь? У нее есть фатальный недостаток: при комнатной температуре она подвержена «самоотжигу» — зерна самопроизвольно растут, и прочность мгновенно теряется.

Именно из-за этого технологического тупика рынок высококачественной медной фольги для AI-серверов и высокочастотных печатных плат долгое время был практически монополизирован японскими гигантами, такими как Mitsui Mining & Smelting и Furukawa Electric.

Однако недавно команда Лу Лэя из Института металлов Китайской академии наук опубликовала в журнале Science статью, которая буквально разбила этот «невозможный треугольник».

Так как же была создана эта супер-фольга?

Раньше для упрочнения меди традиционно добавляли тяжелые металлы, но это было подобно установке барьеров на электронной «автостраде», что приводило к падению проводимости. Команда Лу Лэя применила «обратный» подход.

Они добавили в электролит специальные органические добавки, введя легкие элементы: углерод (C), кислород (O) и хлор (Cl).

Опытные металлурги считают эти элементы вредными примесями, серьезно нарушающими проводимость меди. Однако, используя потенциостатическое осаждение, ученые «приручили» эти примеси, заставив их упорядоченно собираться внутри чистой меди в «ультрананодомены» размером всего 3 нанометра.

Что еще более удивительно, эти ультрананодомены расположены чрезвычайно упорядоченно, словно нити в ткани.

В горизонтальном направлении эти нанодомены образуют эластичную сетку, равномерно распределяющую нагрузку при растяжении фольги, предотвращая разрыв в одной точке. В вертикальном направлении они действуют как арматура в несущей стене, максимально увеличивая прочность.

Более того, эти 3-нанометровые структуры образуют с чистой медной матрицей «полукогерентную границу раздела». Проще говоря, это как «ETC» для электронов: проезжая мимо, им даже не нужно замедляться. В результате прочность достигнута, проводимость не упала, а термическая стабильность была попутно улучшена. Тесты показали, что чистота этой супер-фольги составляет 99,91%, толщина — всего 10 микрон, прочность достигает 900 МПа (в 2-3 раза выше, чем у обычной медной фольги), а проводимость остается стабильной.

Более того, была решена и проблема «самоотжига». Этот материал сохраняет свои свойства даже после полугода хранения при комнатной температуре или нагрева до 150°C.

Если в будущем эту фольгу начнут использовать в чипах смартфонов, это может помочь лучше контролировать нагрев. В печатных платах AI-серверов она позволит сделать кабели тоньше, а передачу высокочастотных сигналов — стабильнее. В литий-ионных батареях электромобилей она сделает их тоньше и безопаснее, снизив потери при быстрой зарядке большими токами.

Однако, если вы думаете, что это очередная «бумажная» разработка, которая останется только в лаборатории, вы ошибаетесь. Многие новые материалы не доходят до массового производства из-за низкого выхода годных изделий, дороговизны нового оборудования или сложности процессов.

На этот раз все иначе. Супер-медная фольга практически полностью совместима с существующими линиями электроосаждения постоянного тока.

Китайским производителям медной фольги даже не нужно менять оборудование. Достаточно просто заменить рецептуру в существующих ваннах и немного отрегулировать параметры. В настоящее время команда из Академии наук уже начала техническую координацию и пилотные испытания с ведущими китайскими производителями медной фольги, такими как Jia Yuan Technology, Nuode Investment и Tongguan Copper Foil. Ожидается, что масштабное производство будет запущено в течение 1-2 лет.

Это означает, что внедрение этой технологии в промышленность не заставит себя долго ждать.

За этой технологией, готовой к внедрению прямо сейчас, стоят десятилетия кропотливой работы. Команда Лу Лэя занимается чистой медью почти 30 лет, с 1997 года. Пока другие гнались за модой и хайпом, они посвятили полжизни изучению самого обычного металла до совершенства. И однажды этот самый обычный металл стал ключевым материалом, сдерживающим всю высокотехнологичную электронную промышленность.

На фоне бесчисленных ярких приложений и больших языковых моделей от интернет-гигантов, работа китайских ученых, прорывающих брешь в фундаментальном материаловедении, вызывает огромное уважение. Ведь корни технологического древа должны быть глубокими, чтобы листья могли расти высоко.