新型熱管理材料可望克服電腦熱當問題
作者 : UCLA
加州大學洛杉磯分校(UCLA)的研究人員成功地將一種新型半導體材料整合到高功率電腦晶片中，能夠降低處理器的熱並提高其性能。這一進展有助於大幅提高電腦的能源效率，以避免電腦過熱當機...
加州大學洛杉磯分校(UCLA)的研究人員已成功地將一種新型半導體材料整合到高功率電腦晶片中，有助於減少處理器的熱並提高其性能。這一進展能夠大幅地提高電腦的能源效率，並可為現有的最佳熱管理元件降進一步降低更多的熱。
這項研究由UCLA Samueli工程學院機械與航太工程副教授Yongjie Hu帶領，最近並在《自然電子》(Nature Electronics)期刊發表相關研究論文
電子晶片封裝中的熱管理示意圖。（圖片來源：H-Lab）
多年來，電腦處理器已經縮小到奈米級，單個電腦晶片中內含數十億個電晶體。雖然電晶體數量的增加有助於使電腦執行速度更快、更強大，但它也會在高度密集的空間中產生更多的熱點。如果沒有一種有效的散熱方式，電腦處理器在運作期間會逐漸變慢，並影響運算的可靠度以及運作效率。此外，電腦晶片高度密集的熱量和飆升的溫度需要更多額外的能量來避免處理器過熱。
微晶片封裝以及使用散熱器的冷卻電子晶片的元件影像。（來源：H-Lab）
為了解決這個問題，Hu和他的團隊在2018年率先開發了一種新型超高熱管理材料。研究人員在其實驗室中開發出無缺陷的砷化硼，發現它在吸熱和散熱方面，比起其他已知的金屬或半導體材料如金剛石和碳化矽更加有效。現在，該團隊透過將其整合到高功率元件中，首次成功地證明了該材料的有效性。
其實驗中，研究人員使用了電腦晶片和由氮化鎵(GaN)製成的最先進寬帶隙(WBG)電晶體，稱為高電子遷移率電晶體(HEMT)。當處理器以接近最大容量執行時，使用砷化硼作為散熱器的晶片顯示出從室溫到接近188華氏度增加了最大的熱。這明顯低於使用金剛石來散熱的晶片(溫度上升到大約278華氏度)，或者使用碳化矽的晶片(熱量增加到大約332華氏度)。
在原子級解析度下，氮化鎵-砷化硼異質結構介面的電子顯微鏡影像（圖片來源：The H-Lab）
Yongjie Hu說：「這些結果清楚地顯示，相較於使用傳統熱管理材料的處理器，砷化硼元件可以維持更高的運作功率。而且我們的實驗是在大多數當前技術都失敗的情況下進行的。這一發展代表了一個新的基準性能，並顯示出在高功率電子和未來電子封裝應用中的巨大潛力。」
據Yongjie Hu表示，砷化硼是熱管理的理想選擇，因為它不僅具有出色的導熱性，而且還具有較低的熱傳輸阻抗。
Yongjie Hu表示，「當熱量從一種材料跨越邊界到另一種材料時，進入下一種材料的速度通常會有所放緩。我們的砷化硼材料關鍵特性是其極低的熱邊界阻抗。這有點像如果熱量只需要跨過路緣，而不是跳越障礙。」
該團隊還開發了磷化硼作為另一種散熱器備選方案。在進行實驗時，研究人員首先說明了使用砷化硼建構半導體結構的方法，然後將該材料整合到HEMT晶片設計中，成功的展示為產業採用該技術開闢了道路。
本文原刊登於EDN China網站，夏菲編譯
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