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用钻石当芯片散热材料,比石墨更好用?

时间:2019-04-03 作者:Bill Schweber 阅读:
为了克服芯片或接面处的热传导接口——热耗散的最大障碍,近来有多种复合材料与技术,包括沉积超薄钻石层,可望大幅缓解这种热阻抗…

尽管低功耗制程和更高效设计带来了大量创新,但要让半导体组件有效散热仍然是一大挑战。造成这种情况的原因之一在于对于系统进展的需求与期待似乎总不可避免地再度占据其可用的热容量。正如一位资深工程师所说的:「有哪一位电子工程师不担心功耗与散热?」

虽然业界已经将增强冷却作为优先考虑事项,但整体热状况受到物理定律的限制,而且难以将其转化为优点。因此,当设计人员着手处理热和发热问题时,面对着一连串多方面的挑战。对于IC和分离式组件而言——从芯片到封装到pcb或散热片顶部,还可能包括底盘导轨、冷却气流(主动组件或被动组件)或流体冷却剂,最后到「外部」(如电阻等被动组件),发热的路径通常都是明确定义的。有时外部是热友善的环境,但通常并不是。

一般来说,实现散热的最大障碍在于从芯片到封装的微小距离。虽然已经有一些能够减少这些障碍的技术,但关于该微小距离的热阻抗仍然相对较高。因此,目前也有许多材料科学研究专门探索这个问题。毕竟,如果你无法有效地克服这个障碍,就可能让其余的散热路径之优点白白地被浪费掉。

以下举两个例子说明现正研究中的进展。第一项研究来自美国伊利诺大学芝加哥分校(University of Illinois at Chicago;UIC)工程学院的研究团队。该研究以氧化硅为基底的实验晶体管为基础,超薄二维(2D)层采用碳化物,并用氧化铝作为封装材料(图1)。

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图1:伊利诺大学的研究团队开发出采用独特分层途径的实验晶体管,可提供出色的热特性(来源:University of Illinois)

其目标在于改善2D材料与3D基底相连接口的热传输,据研究人员宣称,他们已经取得了一定的成功,详见其论文——「在Ti3C2 MXene分层与封装中增强边界热传导」(Enhanced Thermal Boundary Conductance in Few-Layer Ti3C2 MXene with Encapsulation)。根据该研究论文显示,室温下采用AlOx封装时,其设计的边界热传导(TBC)从10.8增加到19.5MW m-2 K-1。(值得注意的是热传导并非热阻的相反;此处有更清晰的解释)。

虽然这项研究工作的发展才刚起步,有些组织已开始追求更加引人注目的道路了,其中的一些组织还得到了美国国防部先进计划署(DARPA)的支持。他们使用钻石来减少芯片与外界之间的热阻障。但他们并非将钻石附加在芯片或接面上,而是采用沉积单晶钻石层,以打造合成钻石接口层的方法。

为什么选择钻石?并不是因为它像宝石一样极具价值,或者由于其硬度而可应用于许多工业应用。最主要是因为钻石具有895W/m-K的极高导热率,远优于铝(237)、银(429)和铜(401)等热导金属;请参阅「为什么钻石比石墨更能传导热?」(Why does diamond conduct heat better than graphite?)。此外,它还具有优越的电绝缘性,该天然钻石的电阻率约为1011至1018Ω-m (实际值取决于也会影响其色泽的内部杂质)。

使用钻石层来提高导热率并不仅仅是实验室的研发项目。在《Microwave Journal》最近的封面专题「钻石成为高功率工程师的最佳良伴」(Diamonds are a High-Power Engineer’s Best Friend)报导中,介绍了采用钻石散热的五家业界供货商及其各自不同的观点,他们甚至还提供了现成可用的解决方案。每家供货商都针对与钻石薄膜热进展有关的基板、制程与产品提供了独特的看法。

例如,Akash Systems提供了基于钻石基底氮化镓(GaN-on-diamond)复合材料的射频(RF)功率放大器,其晶体管的最热部份可降低至人造钻石的数十奈米(图2)。

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图2:该热影像显示,相较于以硅晶和碳底的GaN,采用GaN-on-diamond制程展现了大幅降低升温的状况(来源:Akash Systems)

值得注意的是,钻石的热效益并不仅限于主动组件。Smiths Interconnect展示一款0402尺寸的RF电阻,采用化学气相沉积(CVD)制程制造(图3),据称能够实现20W (连续)/200W (脉冲)的热耗散。一直纠结于RF功率感应阻的实尺寸与最大功耗之间权衡折衷的工程师们,最后将会发现这种方法令人印象深刻。

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图3:Smiths Interconnect展示的20W 0402尺寸RF电阻显示,即使是被动组件也可以从钻石散热层中受益(来源:Smiths Interconnect)

当然,能够从芯片、基底或接面缓解热路径到「离开」的流程等任何进展都很重要。在主动组件和被动组件中使用钻石或许还会带来料想不到和意外的后果——引发更广泛且大规模地关注这方面的工作,以及吸引更多学生进入材料科学和物理学的神秘世界。也许它会让业界和个人重视这个值得关注的话题,揭示研究人员和工程师如何以创造性方法解决长期存在的问题,从而引领「风潮」。

您是否曾经在实验或生产设计中处理过这种钻石分层组件?您认为钻石薄膜会是一种缓解冷却挑战的可用热界面吗?或者,未来还有很长远的道路要走?

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版,参考链接:Put a diamond topping on your die to avoid heat stroke,by Bill Schweber;编译:Susan Hong,EDNTaiwan)

 

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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