儘管低功耗製程和更高效設計帶來了大量創新,但要讓半導體元件有效散熱仍然是一大挑戰。造成這種情況的原因之一在於對於系統進展的需求與期待似乎總不可避免地再度佔據其可用的熱容量。正如一位資深工程師所說的:「有哪一位電子工程師不擔心功耗與散熱?」

雖然業界已經將增強冷卻作為優先考慮事項,但整體熱狀況受到物理定律的限制,而且難以將其轉化為優點。因此,當設計人員著手處理熱和發熱問題時,面對著一連串多方面的挑戰。對於IC和分離式元件而言——從晶片到封裝到PCB或散熱片頂部,還可能包括底盤導軌、冷卻氣流(主動元件或被動元件)或流體冷卻劑,最後到「外部」(如電阻等被動元件),發熱的路徑通常都是明確定義的。有時外部是熱友善的環境,但通常並不是。

一般來說,實現散熱的最大障礙在於從晶片到封裝的微小距離。雖然已經有一些能夠減少這些障礙的技術,但關於該微小距離的熱阻抗仍然相對較高。因此,目前也有許多材料科學研究專門探索這個問題。畢竟,如果你無法有效地克服這個障礙,就可能讓其餘的散熱路徑之優點白白地被浪費掉。

以下舉兩個例子說明現正研究中的進展。第一項研究來自美國伊利諾大學芝加哥分校(University of Illinois at Chicago;UIC)工程學院的研究團隊。該研究以氧化矽為基底的實驗電晶體為基礎,超薄二維(2D)層採用碳化物,並用氧化鋁作為封裝材料(圖1)。

Diamond Thermal, UIC

圖1:伊利諾大學的研究團隊開發出採用獨特分層途徑的實驗電晶體,可提供出色的熱特性(來源:University of Illinois)

其目標在於改善2D材料與3D基底相連介面的熱傳輸,據研究人員宣稱,他們已經取得了一定的成功,詳見其論文——「在Ti3C2 MXene分層與封裝中增強邊界熱傳導」(Enhanced Thermal Boundary Conductance in Few-Layer Ti3C2 MXene with Encapsulation)。根據該研究論文顯示,室溫下採用AlOx封裝時,其設計的邊界熱傳導(TBC)從10.8增加到19.5MW m-2 K-1。(值得注意的是熱傳導並非熱阻的相反;此處有更清晰的解釋)。

雖然這項研究工作的發展才剛起步,有些組織已開始追求更加引人注目的道路了,其中的一些組織還得到了美國國防部先進計劃署(DARPA)的支持。他們使用鑽石來減少晶片與外界之間的熱阻障。但他們並非將鑽石附加在晶片或接面上,而是採用沉積單晶鑽石層,以打造合成鑽石介面層的方法。

為什麼選擇鑽石?並不是因為它像寶石一樣極具價值,或者由於其硬度而可應用於許多工業應用。最主要是因為鑽石具有895W/m-K的極高導熱率,遠優於鋁(237)、銀(429)和銅(401)等熱導金屬;請參閱「為什麼鑽石比石墨更能傳導熱?」(Why does diamond conduct heat better than graphite?)。此外,它還具有優越的電絕緣性,該天然鑽石的電阻率約為1011至1018Ω-m (實際值取決於也會影響其色澤的內部雜質)。

使用鑽石層來提高導熱率並不僅僅是實驗室的研發專案。在《Microwave Journal》最近的封面專題「鑽石成為高功率工程師的最佳良伴」(Diamonds are a High-Power Engineer’s Best Friend)報導中,介紹了採用鑽石散熱的五家業界供應商及其各自不同的觀點,他們甚至還提供了現成可用的解決方案。每家供應商都針對與鑽石薄膜熱進展有關的基板、製程與產品提供了獨特的看法。

例如,Akash Systems提供了基於鑽石基底氮化鎵(GaN-on-diamond)複合材料的射頻(RF)功率放大器,其電晶體的最熱部份可降低至人造鑽石的數十奈米(圖2)。

Diamond Thermal, Akash

圖2:該熱影像顯示,相較於以矽晶和碳底的GaN,採用GaN-on-diamond製程展現了大幅降低升溫的狀況(來源:Akash Systems)

值得注意的是,鑽石的熱效益並不僅限於主動元件。Smiths Interconnect展示一款0402尺寸的RF電阻,採用化學氣相沉積(CVD)製程製造(圖3),據稱能夠實現20W (連續)/200W (脈衝)的熱耗散。一直糾結於RF功率感應阻的實尺寸與最大功耗之間權衡折衷的工程師們,最後將會發現這種方法令人印象深刻。

Diamond Thermal, Smiths Interconnect

圖3:Smiths Interconnect展示的20W 0402尺寸RF電阻顯示,即使是被動元件也可以從鑽石散熱層中受益(來源:Smiths Interconnect)

當然,能夠從晶片、基底或接面緩解熱路徑到「離開」的流程等任何進展都很重要。在主動元件和被動元件中使用鑽石或許還會帶來料想不到和意外的後果——引發更廣泛且大規模地關注這方面的工作,以及吸引更多學生進入材料科學和物理學的神秘世界。也許它會讓業界和個人重視這個值得關注的話題,揭示研究人員和工程師如何以創造性方法解決長期存在的問題,從而引領「風潮」。

您是否曾經在實驗或生產設計中處理過這種鑽石分層元件?您認為鑽石薄膜會是一種緩解冷卻挑戰的可用熱界面嗎?或者,未來還有很長遠的道路要走?

編譯:Susan Hong

(參考原文:Put a diamond topping on your die to avoid heat stroke,by Bill Schweber)