3分鐘，帶你吃透西電石墨烯散熱技術(shù)是如何怎么實現(xiàn)反超歐美的

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石墨烯緩沖層如同一位出色的“翻譯官”，讓散熱“王者”金剛石與未來芯片材料氧化鎵成功對話，為電子世界的“高燒不退”帶來一劑降溫良方。

手機(jī)卡頓、電腦死機(jī)、電動車?yán)m(xù)航縮水……這些日常生活中令人煩惱的問題，很多時候都源于芯片在高速運轉(zhuǎn)時“高燒不退”。

西安電子科技大學(xué)的科研人員正試圖解決這一困擾行業(yè)數(shù)十年的“心臟病”。

技術(shù)破局

西安電子科技大學(xué)郝躍院士團(tuán)隊的教授張進(jìn)成和寧靜，在解決芯片散熱難題上實現(xiàn)了重要突破。他們巧妙地引入了石墨烯作為“翻譯官”，讓被稱為下一代高功率電子器件“明星材料”的氧化鎵與“導(dǎo)熱王者”金剛石成功“牽手”。

（該論文入選Science Advances封面論文之一）

這項成果剛剛發(fā)表在《自然-通訊》期刊上，引起了業(yè)界廣泛關(guān)注。

氧化鎵被譽為高功率電子器件的“明星材料”，能夠承受超高電壓且成本較低，在電動汽車、軌道交通、5G/6G基站和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。但這種材料有一個致命缺點：散熱能力只有硅材料的五分之一，工作時極易“發(fā)燒”，導(dǎo)致器件損壞、性能下降。

研究團(tuán)隊最初想到了導(dǎo)熱性能極好的金剛石，這是自然界中的“導(dǎo)熱王者”。然而，單晶金剛石尺寸小、價格昂貴，難以大規(guī)模使用。

當(dāng)他們轉(zhuǎn)向成本更低的多晶金剛石時，遇到了新問題：在多晶上生長氧化鎵薄膜時，材料會出現(xiàn)“晶向紊亂”，產(chǎn)生裂縫和應(yīng)力，散熱效果大打折扣。

創(chuàng)新方案

團(tuán)隊最終引入石墨烯作為中間緩沖層，它就像一位出色的“翻譯官”，緩解了兩種材料之間的“溝通障礙”。

這種創(chuàng)新設(shè)計屏蔽了多晶襯底的粗糙影響，使氧化鎵薄膜能夠平整高質(zhì)量地生長在多晶金剛石上。

通過“氧-晶格協(xié)同調(diào)控”技術(shù)，即精細(xì)控制氧氣和原子排列，團(tuán)隊實現(xiàn)了高質(zhì)量氧化鎵薄膜的穩(wěn)定外延，從而使材料不再“亂長”，熱應(yīng)力也大幅降低。

實驗結(jié)果顯示，這種設(shè)計不僅解決了材料生長問題，還帶來了驚人的散熱效果。氧化鎵與金剛石之間的熱阻僅為2.82平方米·開爾文/吉瓦，這一數(shù)值僅為傳統(tǒng)技術(shù)的十分之一左右。

學(xué)術(shù)競爭

世界頂尖科研機(jī)構(gòu)和科技公司也在競相攻克這一難題。斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊研發(fā)出低溫多晶鉆石薄膜芯片散熱技術(shù)，成功在400°C的溫度下，針對半導(dǎo)體器件生長出多晶鉆石涂層。

這項技術(shù)能夠?qū)@石整合到芯片內(nèi)部，距離晶體管僅數(shù)納米之遙，有望重新定義跨行業(yè)的熱管理策略。

與此同時，北京大學(xué)高鵬教授團(tuán)隊利用一種基于聲子輸運可視化的電子顯微技術(shù)，首次實現(xiàn)了亞納米尺度的熱流“可視化”。

（圖1 聲子輸運可視化的顯微技術(shù)。a. 實驗設(shè)計示意圖；b. AlN/SiC界面附近的等溫線分布圖（彩色線條）和溫度梯度方向（黑色箭頭）。比例尺：200nm）

該技術(shù)通過對界面模式參與的非彈性聲子輸運動力學(xué)過程的深入解析，為芯片界面工程設(shè)計與先進(jìn)熱管理材料研發(fā)提供了關(guān)鍵理論依據(jù)。其作用相當(dāng)于在微觀尺度構(gòu)建了一個可精準(zhǔn)調(diào)控的實驗平臺，為破解芯片散熱這一制約半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的世紀(jì)難題，開辟了全新路徑，注入了突破性的解決思路。

商業(yè)領(lǐng)域，微軟公司宣布開發(fā)出微流體冷卻技術(shù)，通過細(xì)如發(fā)絲的微小通道直接將冷卻液輸送到芯片內(nèi)部。實驗數(shù)據(jù)顯示，該技術(shù)能將芯片最高溫升降低65%，散熱效率比現(xiàn)有散熱板高出三倍。

產(chǎn)業(yè)布局

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)龍頭臺積電正全面擁抱12英寸碳化硅單晶基板，并逐步退出氮化鎵業(yè)務(wù)。碳化硅以優(yōu)異熱導(dǎo)率受到青睞，可達(dá)約500W/mK，遠(yuǎn)高于常見陶瓷基板如氧化鋁或藍(lán)寶石。

盡管鉆石與石墨烯擁有更高熱導(dǎo)率，但其高昂成本與制程規(guī)模化困難，使其難以成為主流。液態(tài)金屬、導(dǎo)電凝膠與微流體冷卻等替代方案雖有潛力，但在集成性與量產(chǎn)成本上亦存挑戰(zhàn)。

相較之下，碳化硅以“性能、機(jī)械強(qiáng)度與可量產(chǎn)性兼具”的特點，展現(xiàn)出最具實際性的折中方案。

臺積電在12英寸晶圓制造上的深厚經(jīng)驗，使其有別于其他競爭者。

多線并進(jìn)

西電在芯片散熱領(lǐng)域的研究并非孤例。廣研院段寶巖院士團(tuán)隊在高功率嵌入式散熱領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，將微通道直接集成于發(fā)熱電子器件內(nèi)部，從結(jié)構(gòu)上消除了傳統(tǒng)冷板散熱路徑中的關(guān)鍵界面熱阻。

這項技術(shù)使總熱阻降低至0.01 K/W，在熱負(fù)荷240W，進(jìn)口流量10mL/s下，相較于常規(guī)嵌入式結(jié)構(gòu)，最大溫度降低了21%。

同時，西電材料院彭彪林教授團(tuán)隊在薄膜電卡制冷領(lǐng)域取得重要突破。基于電卡效應(yīng)的固態(tài)熱管理技術(shù)，因其微型化、響應(yīng)快速等優(yōu)勢，被視為芯片級散熱的重要候選方案。

團(tuán)隊提出的“對稱性匹配缺陷偶極態(tài)調(diào)控”新思路，使薄膜在不同溫區(qū)呈現(xiàn)截然相反的電卡響應(yīng)，為發(fā)展硅基兼容的高效固態(tài)制冷技術(shù)提供了新途徑。

世界各實驗室的科學(xué)家正從不同角度切入，尋找讓芯片“冷靜”的方法。西電團(tuán)隊研究成果發(fā)表后，已有多家企業(yè)主動尋求合作，團(tuán)隊正全力推進(jìn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。

在成都的實驗室里，寧靜教授和她的同事們?nèi)栽诓粩鄿y試新材料和新技術(shù)，她們的目標(biāo)是讓這一突破性散熱技術(shù)能夠真正走出實驗室，應(yīng)用到電動汽車、數(shù)據(jù)中心和5G基站中。

如今，芯片產(chǎn)業(yè)正面臨一場靜悄悄的革命，那些為芯片“退燒”的技術(shù)，正逐漸從實驗室走向生產(chǎn)線。

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