解决芯片发热问题的新方法

2021-10-12 来源：半导体行业观察

众所周知，将晶体管紧密地封装在一起会引起设备过热的问题。

但现在，科学家们已经开发出一种人造材料，它是有史以来最好的一种材料，可以在一个方向上传导热量，同时在其他方向上保持热量与周围环境隔绝。这项研究有朝一日可能会帮助微芯片在不因过热而中断的情况下变得更强大。

随着电子产品的不断小型化，在给定的空间中会产生更多的热量，这使得热控制成为电子设计中的一个关键挑战。“如果你的电脑或笔记本电脑过热，这可能是一个安全问题，”该研究的主要作者，芝加哥大学的分子工程师Shi En Kim说。

热管理的最新进展包括所谓的各向异性热导体。在这些材料中，热量在一个方向上比其他方向流动得更快。

许多天然晶体结构是强各向异性的热导体——例如，对于石墨，热量沿其快轴传导的速度比慢轴快约 340 倍。然而，这些天然材料通常难以用于大规模制造技术，并且可能缺乏设备所需的各种电学或光学特性。相比之下，大多数人工结构材料都是不良的各向异性热导体，在室温下通常具有小于 20 的快慢热流比。

现在，科学家们创造了一种人造材料，其在室温下的快慢热流比高达约 880，这是有史以来最高的热流比之一。他们在 9 月 30 日的《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。

该技术的秘诀在于使用由原子级薄层堆叠膜组成的材料——二硫化钼。在这种情况下，这些层通过称为范德华相互作用的弱电力保持在一起，这种力通常会使胶带发粘。其他分层范德华材料包括石墨和所谓的过渡金属二硫属化物。

二硫化钼在两个维度上有效地堆叠漏斗热量，但不是第三个维度。绝缘效应背后的关键是相邻薄膜的晶格如何相对于彼此旋转。（想象一堆棋盘，每块棋盘都旋转，这样它的方格就不会与相邻的方格对齐。）

在这些堆栈中，热的主要载体是声子（phonons），即由晶体晶格结构中的振动组成的准粒子。当相邻的硫化钼薄膜堆叠起来使其晶格对齐时，声子很容易向各个方向流动，尽管在层内效率更高。然而，当这些晶格相对于彼此旋转时，声子只能在层内有效地流动。

当科学家使用这些叠层涂覆仅 15 纳米高和 100 纳米宽的金电极时，他们发现电极可以承载更多电流而不会过热并阻止热量到达设备表面。“我们相信我们的材料可用于电子产品的热管理，”Kim 说。

Kim 指出，他们之所以选择用二硫化钼进行试验，是因为他们之前开发了生长这种材料的大薄膜的方法。原则上，由其他原子级薄材料（例如石墨烯）制成的堆栈可以表现得同样或更好。她指出，未来的研究还可以调查由两种或多种不同材料堆叠而成的所谓异质结构的性能。

Kim 警告说，对于他们的实验，“我们的薄膜是手工堆叠的，这不是一种非常可扩展的制造非常厚薄膜的方法。最终这些材料可能会有实际应用，但需要解决一些问题以使其生产可扩展。”

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