電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）當(dāng)今科技飛速發(fā)展，芯片作為電子設(shè)備核心部件，性能提升推動(dòng)各領(lǐng)域進(jìn)步，但散熱問題長期制約其性能突破。隨著人工智能大模型和高性能計(jì)算爆發(fā)式增長，芯片功耗和發(fā)熱密度指數(shù)級(jí)上升，傳統(tǒng)散熱方式難滿足需求，難題愈發(fā)凸顯。

在此背景下，西安電子科技大學(xué)郝躍院士張進(jìn)成教授團(tuán)隊(duì)在芯片散熱上取得歷史性跨越。半導(dǎo)體領(lǐng)域長期存在下一代材料性能優(yōu)卻制造難的矛盾，如同知火候卻難精準(zhǔn)把握。西電團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新研究，把材料間“島狀”連接變?yōu)樵蛹?jí)平整“薄膜”，使芯片散熱效率與綜合性能飛躍提升。這一成果打破近二十年技術(shù)停滯，在前沿科技領(lǐng)域潛力巨大。

深入剖析：西電團(tuán)隊(duì)的研究突破

在半導(dǎo)體器件中，不同材料層間的界面質(zhì)量對(duì)整體性能至關(guān)重要。以氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體和以氧化鎵為代表的第四代半導(dǎo)體，高效可靠集成是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法用氮化鋁作中間“粘合層”，但生長時(shí)會(huì)自發(fā)形成無數(shù)不規(guī)則、凹凸不平的“島嶼”。西安電子科技大學(xué)領(lǐng)軍教授周弘形象比喻，這就像在凹凸不平的堤壩上修水渠?！皪u狀”結(jié)構(gòu)使熱量在界面?zhèn)鬟f時(shí)阻力大，形成“熱堵點(diǎn)”，熱量在芯片內(nèi)部累積，會(huì)導(dǎo)致性能下降甚至器件燒毀。自2014年相關(guān)成核技術(shù)獲諾貝爾獎(jiǎng)后，這一問題未得到徹底解決，成為制約射頻芯片功率提升的最大瓶頸。

西電團(tuán)隊(duì)的突破在于從根本上改變了氮化鋁層的生長模式。他們創(chuàng)新性地開發(fā)出“離子注入誘導(dǎo)成核”技術(shù)，將原本隨機(jī)、不均勻的生長過程轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳?zhǔn)、可控的均勻生長。周弘形象地將其形容為“把隨機(jī)播種變?yōu)榘匆?guī)劃均勻播種，最終長出了整齊劃一的莊稼”。這項(xiàng)工藝使氮化鋁層從粗糙的“多晶島狀”結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)樵优帕懈叨纫?guī)整的“單晶薄膜”。
這一轉(zhuǎn)變帶來了質(zhì)的飛躍。平整的單晶薄膜大大減少了界面缺陷，熱能夠快速通過緩沖/成核層導(dǎo)出。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，新結(jié)構(gòu)的界面熱阻僅為傳統(tǒng)“島狀”結(jié)構(gòu)的三分之一。這一看似基礎(chǔ)的材料工藝革新，卻精準(zhǔn)地解決了從第三代到第四代半導(dǎo)體都面臨的共性散熱難題，為后續(xù)芯片性能的爆發(fā)奠定了最關(guān)鍵的基礎(chǔ)。

工藝的突破直接帶來了器件性能的驚人提升?；谶@項(xiàng)創(chuàng)新的氮化鋁薄膜技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)制備出的氮化鎵微波功率器件，在X波段和Ka波段分別實(shí)現(xiàn)了42 W/mm和20 W/mm的輸出功率密度。這一數(shù)據(jù)將國際同類器件的性能紀(jì)錄提升了30%到40%，堪稱近二十年來該領(lǐng)域的最大一次突破。

這一突破有廣泛實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。周弘指出，在芯片面積不變時(shí)，裝備探測距離可顯著增加；通信基站能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)信號(hào)覆蓋和更低能耗。對(duì)普通民眾而言，技術(shù)紅利也將逐步顯現(xiàn)。雖當(dāng)前民用手機(jī)等設(shè)備尚不需要如此高功率密度，但基礎(chǔ)技術(shù)進(jìn)步是普惠的。未來，手機(jī)在偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)接收能力可能更強(qiáng)，續(xù)航時(shí)間也可能更長。更深遠(yuǎn)的影響在于，它為推動(dòng)5G/6G通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展，儲(chǔ)備了關(guān)鍵核心器件能力。

芯片散熱的多元發(fā)展方向

芯片散熱問題是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，除西電團(tuán)隊(duì)在材料層面取得突破外，目前該領(lǐng)域還有多個(gè)核心發(fā)展方向。

材料是散熱基礎(chǔ)，其導(dǎo)熱能力決定散熱上限。在界面材料優(yōu)化方面，液態(tài)金屬作為熱界面材料，導(dǎo)熱系數(shù)極高，能實(shí)現(xiàn)原子級(jí)貼合，大幅降低接觸熱阻。金剛石與碳化硅鍍層技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)硅中介層逐漸被碳化硅甚至單晶金剛石取代，金剛石熱導(dǎo)率高，可快速導(dǎo)出熱量。西電團(tuán)隊(duì)通過離子注入誘導(dǎo)成核技術(shù)，將材料層間“島狀”連接變?yōu)樵蛹?jí)平整“薄膜”，降低界面熱阻，有效解決了半導(dǎo)體材料間的“熱堵點(diǎn)”問題。

為應(yīng)對(duì)高功率密度，散熱結(jié)構(gòu)變化顯著。芯片內(nèi)微流體冷卻是終極形態(tài)之一，利用半導(dǎo)體刻蝕工藝在硅晶片內(nèi)部制造微米級(jí)流體通道，冷卻液直接在芯片內(nèi)部流動(dòng)帶走熱量，消除封裝材料熱阻。仿生“發(fā)汗”技術(shù)受動(dòng)物散熱啟發(fā)，科研人員設(shè)計(jì)帶“溫敏閥體”的微流冷板，芯片溫度過高時(shí)閥門自動(dòng)打開釋放冷卻工質(zhì)蒸發(fā)散熱，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)散熱增強(qiáng)。分解式/模塊化封裝方案也被提出，英特爾等公司將散熱器拆分為模塊，減少封裝翹曲和氣泡，適合大面積芯片，使散熱更均勻。

在數(shù)據(jù)中心和AI服務(wù)器領(lǐng)域，風(fēng)冷退居二線，液冷成主流。浸沒式與冷板液冷方案中，液體比熱容大，能高效帶走熱量，英偉達(dá)的Rubin GPU等高端產(chǎn)品已大規(guī)模采用。液態(tài)金屬冷卻除作界面材料，還可直接作冷卻液，其導(dǎo)熱性能是水的65倍，“擴(kuò)展微通道”設(shè)計(jì)提升流量、降低熱阻。

未來散熱不僅是硬件堆疊，更是軟件算法博弈。AI預(yù)測性熱管理通過建立數(shù)據(jù)中心“熱力數(shù)字孿生”模型，提前預(yù)測服務(wù)器高負(fù)載，增加冷卻液流速，避免被動(dòng)響應(yīng)。動(dòng)態(tài)調(diào)頻調(diào)壓技術(shù)（DVFS）與散熱系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，散熱系統(tǒng)檢測到極限溫度時(shí)，AI算法精準(zhǔn)對(duì)局部核心降頻或降壓，在溫度和性能間找最優(yōu)解。

相變材料是低成本高效的補(bǔ)充手段。利用石蠟等材料在特定溫度下熔化吸熱特性，吸收芯片突發(fā)熱量尖峰，防止溫度瞬間飆升燒毀芯片，但導(dǎo)熱率低，需配合主動(dòng)散熱使用。

產(chǎn)業(yè)界多股核心力量分布在三個(gè)層面，共同攻克芯片散熱難題。上游材料與封裝領(lǐng)域，蘇州博志金鉆專注于高性能半導(dǎo)體散熱封裝材料，近期完成B輪融資，資金主要用于研發(fā)和產(chǎn)能建設(shè)。該公司通過先進(jìn)的表面處理技術(shù)和自研設(shè)備，生產(chǎn)陶瓷載板等封裝器件，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵材料的進(jìn)口替代，產(chǎn)品主要應(yīng)用于光電芯片、光通信模塊等高密度封裝領(lǐng)域。南京瑞為新材料獨(dú)創(chuàng)金剛石/金屬復(fù)合材料，解決了金剛石與金屬難以結(jié)合的難題，生產(chǎn)的“芯片熱沉”導(dǎo)熱性能高、成本低。廣東暢能達(dá)自主研發(fā)高熱流密度散熱相變封裝基板，散熱性能遠(yuǎn)超昂貴的金剛石鋁/銅材料，能有效解決雷達(dá)組件和高功率芯片的散熱難題。

中游模組與方案方面，深圳銳盟半導(dǎo)體開發(fā)了基于壓電MEMS技術(shù)的“MagicCool”散熱微泵，這種微泵只有毫米級(jí)厚度，但能通過高頻振動(dòng)帶動(dòng)液體流動(dòng)，非常適合手機(jī)、AR/VR等智能終端設(shè)備，解決了AI終端算力爆發(fā)帶來的發(fā)熱問題。深圳飛榮達(dá)是老牌散熱和電磁屏蔽方案提供商，大力布局液冷技術(shù)，其液冷散熱模組獲大客戶認(rèn)可，能夠滿足AI GPU這種高功耗芯片的散熱需求。美國Phononic在蘇州設(shè)有基地，專注于半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)，利用熱電效應(yīng)半導(dǎo)體芯片替代傳統(tǒng)的壓縮機(jī)，應(yīng)用在激光雷達(dá)、5G基站電池散熱等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的局部溫控。

下游巨頭與特定領(lǐng)域中，臺(tái)灣奇鋐科技是英偉達(dá)散熱主力供應(yīng)商之一，推動(dòng)服務(wù)器散熱從風(fēng)冷向液冷升級(jí)。浙江嘉熙科技專注相變抑制傳熱（PCI）技術(shù)，解決5G基站、數(shù)據(jù)中心和航空航天領(lǐng)域大型熱管理問題。

寫在最后

西電團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里成功攻克了材料界面的物理難題，為芯片散熱帶來了新的希望。而產(chǎn)業(yè)界的眾多公司則在工廠和市場上，通過新材料合成、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及新工藝等多種方式，積極解決散熱問題。

目前，液冷正在成為數(shù)據(jù)中心的標(biāo)配，新材料正逐步替代傳統(tǒng)金屬，MEMS微泵等主動(dòng)式散熱技術(shù)讓移動(dòng)設(shè)備變得更加輕薄、冷靜。隨著AI大模型和高性能計(jì)算的持續(xù)發(fā)展，散熱仍將是制約芯片性能的關(guān)鍵因素。但可以預(yù)見，在科研團(tuán)隊(duì)的不懈努力和產(chǎn)業(yè)界的積極推動(dòng)下，芯片散熱技術(shù)將不斷取得新的突破，為電子設(shè)備的性能提升和各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供有力保障，推動(dòng)我們邁向更加智能、高效的科技未來。