芯片散热看不清？这项技术实现直接观测

笔记本电脑会出现的过热问题，同样困扰着全球的计算机服务器与数据中心。随着芯片集成度不断提高、性能持续增强，热管理的难度也在不断加大。想要持续提升芯片性能，就必须搞清楚热量在微观尺度下如何于芯片内部传递。但遗憾的是，绝大多数热流测量方法，都很难适配多层结构器件，也就是现代各类电子设备所采用的元器件。

麻省理工学院（MIT）的研究人员如今展示了一种研究多层材料内部热量传递的全新手段：结合可穿透多层结构的X射线与用于输入热量的激光脉冲。研究团队利用该技术，测量了一种在晶体管与柔性电子领域具备应用前景的器件内部的热量传递过程。

这套测量方法精度极高，能够量化器件内部一处微米级缺陷带来的影响。测试发现，该缺陷位置的材料导热能力竟然下降至原来的四分之一。研究还发现，该缺陷会造成热量扩散不均匀，热量在两个方向上的传导难易程度不一样。

研究团队认为，该技术有助于科研人员理解器件的过热机理，也能够帮助企业开发更高功率密度的电子产品，覆盖AI应用、可穿戴设备、清洁能源系统等诸多领域。

MIT核科学与工程系副教授Mingda Li是本篇开放获取论文的共同通讯作者，论文发表于《Nature Communications》。他表示：“芯片研发人员需要能够承受高温的器件。我认为过热已经成为制约器件性能的真正瓶颈。传统检测手段无法达到微米、纳米的观测尺度。科研人员希望更进一步，研究热载流子，准确定位失效根源，以此规避局部热点，设计性能更优异的器件。而这项新技术正是朝着这个目标迈出的一步。”

追踪热量

打造性能更强的计算机与电子产品，往往意味着要在更小面积里集成更多晶体管。但晶体管排布越密集，器件工作时温度就越高，需要散出的热量也就越多。

很多人都遇到过笔记本放在腿上过热的情况。放大到数据中心层面，则意味着需要消耗巨量能源来为服务器降温。因此，研发更高功率密度的计算机与电子产品，本质就是寻找导热效率更优异的材料。

科研人员已经采用多种方法测量、模拟材料内部的热流，但面对真实器件的多层复杂结构，这些手段都存在各自局限。例如微观热学研究常用的时域热反射法。

共同通讯作者、MIT副教授Jeehwan Kim解释道：“该技术依靠光学原理，无法区分不同功能层。真实器件往往有五层甚至更多层，该方法只能输出整体信号，很难观测埋藏在表层之下各层内部的热输运过程。”

而红外相机等其他技术，拍摄帧率不足以捕捉微观尺度下的微小热变化，同样难以适用。

为突破上述局限，研究团队希望开发一套可对多层体系开展纳米尺度热传导测量的方案。他们采用一种新兴分析技术：向材料发射电子脉冲与超快X射线，再测量能量变化。

共同第一作者Thanh Nguyen谈到：“过去几年，科研人员打造出了全球亮度最高的X射线光源。它可以把X射线光束聚焦，实现极高的空间分辨率。同时还能用激光加热样品，X射线同步扫描，实时呈现热量在空间中的消散过程。”

该技术具备更好的热传导观测能力：激光驱动的电子脉冲能够捕捉原子尺度的材料应变变化，X射线则可以穿透材料的多层结构；将两类测量结果结合，就能更清晰地还原材料内部的传热行为。

MIT博士后、共同第一作者Chuliang Fu表示：“以往的测量手段，在真实器件中无法区分不同层的状态，只能得到平均结果。而X射线可以借助衍射效应，清晰展现热量如何穿过界面进行传播。”

研究人员将该技术用于测试器件：在硅基底上生长氮化镓层，氮化镓是一种导热潜力优异的材料。该材料组合已经研究多年，但加工过程产生的微小缺陷会使其热学性能发生劣化。

团队测量发现，器件一处褶皱缺陷位置的散热能力下降四成，整体材料散热能力下降25%，缺陷对热流的破坏程度超出预期。

2024届博士Buxuan Li称：“人们在模拟散热时，通常使用无缺陷的理想晶体模型。但这类褶皱缺陷在二维材料中十分常见，此前大家并不清楚褶皱会阻挡多少热量。而现在，我们可以借助这项技术直接观测该现象。”

设计性能更优的芯片

Mingda Li透露，一家头部半导体行业联盟已经主动寻求合作，计划将这套测量技术用于不同芯片的研究。该技术有望适用于种类广泛的材料与器件。

Kim说：“现在我们可以给器件通电，同时用X射线照射，观测极小尺度下热量如何耗散。这正是行业一直期盼实现的能力。”

Mingda Li表示，该技术将为科研人员提供全新数据，助力电子系统的设计优化。

Kim补充道：“它能够推动电子系统热设计的进步。即便使用相同材料，器件构型与材料排布方式也十分复杂。该技术可以输出直接实验数据，帮助我们看清这些差异如何影响热流。”