電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李彎彎）當今科技飛速發(fā)展，芯片作為電子設備核心部件，性能提升推動各領域進步，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算爆發(fā)式增長，芯片功耗和發(fā)熱密度指數(shù)級上升，傳統(tǒng)散熱方式難滿足需求，難題愈發(fā)凸顯。

在此背景下，西安電子科技大學郝躍院士張進成教授團隊在芯片散熱上取得歷史性跨越。半導體領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把握。西電團隊通過創(chuàng)新研究，把材料間“島狀”連接變?yōu)樵蛹壠秸氨∧ぁ?，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停滯，在前沿科技領域潛力巨大。

深入剖析：西電團隊的研究突破

在半導體器件中，不同材料層間的界面質量對整體性能至關重要。以氮化鎵為代表的第三代半導體和以氧化鎵為代表的第四代半導體，高效可靠集成是關鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)方法用氮化鋁作中間“粘合層”，但生長時會自發(fā)形成無數(shù)不規(guī)則、凹凸不平的“島嶼”。西安電子科技大學領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”結構使熱量在界面?zhèn)鬟f時阻力大，形成“熱堵點”，熱量在芯片內(nèi)部累積，會導致性能下降甚至器件燒毀。自2014年相關成核技術獲諾貝爾獎后，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。

西電團隊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“離子注入誘導成核”技術，將原本隨機、不均勻的生長過程轉變?yōu)榫珳?、可控的均勻生長。周弘形象地將其形容為“把隨機播種變?yōu)榘匆?guī)劃均勻播種，最終長出了整齊劃一的莊稼”。這項工藝使氮化鋁層從粗糙的“多晶島狀”結構，轉變?yōu)樵优帕懈叨纫?guī)整的“單晶薄膜”。
這一轉變帶來了質的飛躍。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/成核層導出。實驗數(shù)據(jù)顯示，新結構的界面熱阻僅為傳統(tǒng)“島狀”結構的三分之一。這一看似基礎的材料工藝革新，卻精準地解決了從第三代到第四代半導體都面臨的共性散熱難題，為后續(xù)芯片性能的爆發(fā)奠定了最關鍵的基礎。

工藝的突破直接帶來了器件性能的驚人提升。基于這項創(chuàng)新的氮化鋁薄膜技術，研究團隊制備出的氮化鎵微波功率器件，在X波段和Ka波段分別實現(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錄提升了30%到40%，堪稱近二十年來該領域的最大一次突破。

這一突破有廣泛實際應用價值。周弘指出，在芯片面積不變時，裝備探測距離可顯著增加；通信基站能實現(xiàn)更遠信號覆蓋和更低能耗。對普通民眾而言，技術紅利也將逐步顯現(xiàn)。雖當前民用手機等設備尚不需要如此高功率密度，但基礎技術進步是普惠的。未來，手機在偏遠地區(qū)信號接收能力可能更強，續(xù)航時間也可能更長。更深遠的影響在于，它為推動5G/6G通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展，儲備了關鍵核心器件能力。

芯片散熱的多元發(fā)展方向

芯片散熱問題是個復雜系統(tǒng)工程，除西電團隊在材料層面取得突破外，目前該領域還有多個核心發(fā)展方向。

材料是散熱基礎，其導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，導熱系數(shù)極高，能實現(xiàn)原子級貼合，大幅降低接觸熱阻。金剛石與碳化硅鍍層技術不斷發(fā)展，傳統(tǒng)硅中介層逐漸被碳化硅甚至單晶金剛石取代，金剛石熱導率高，可快速導出熱量。西電團隊通過離子注入誘導成核技術，將材料層間“島狀”連接變?yōu)樵蛹壠秸氨∧ぁ?，降低界面熱阻，有效解決了半導體材料間的“熱堵點”問題。

為應對高功率密度，散熱結構變化顯著。芯片內(nèi)微流體冷卻是終極形態(tài)之一，利用半導體刻蝕工藝在硅晶片內(nèi)部制造微米級流體通道，冷卻液直接在芯片內(nèi)部流動帶走熱量，消除封裝材料熱阻。仿生“發(fā)汗”技術受動物散熱啟發(fā)，科研人員設計帶“溫敏閥體”的微流冷板，芯片溫度過高時閥門自動打開釋放冷卻工質蒸發(fā)散熱，實現(xiàn)自適應散熱增強。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服務器領域，風冷退居二線，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，其導熱性能是水的65倍，“擴展微通道”設計提升流量、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，提前預測服務器高負載，增加冷卻液流速，避免被動響應。動態(tài)調(diào)頻調(diào)壓技術（DVFS）與散熱系統(tǒng)聯(lián)動，散熱系統(tǒng)檢測到極限溫度時，AI算法精準對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，但導熱率低，需配合主動散熱使用。

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

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

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

寫在最后

西電團隊在實驗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、新結構設計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)中心的標配，新材料正逐步替代傳統(tǒng)金屬，MEMS微泵等主動式散熱技術讓移動設備變得更加輕薄、冷靜。隨著AI大模型和高性能計算的持續(xù)發(fā)展，散熱仍將是制約芯片性能的關鍵因素。但可以預見，在科研團隊的不懈努力和產(chǎn)業(yè)界的積極推動下，芯片散熱技術將不斷取得新的突破，為電子設備的性能提升和各個領域的發(fā)展提供有力保障，推動我們邁向更加智能、高效的科技未來。