新型热管理材料使计算机保持凉爽
加州大学洛杉矶分校的工程师已经展示了将一种新型半导体材料成功集成到高功率计算机芯片中，以减少处理器的热量并提高其性能。这一进步极大地提高了计算机的能源效率，并且能够去除目前可用的最佳热管理设备之外的热量。
该研究由加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院机械与航空航天工程副教授胡永杰领导。Nature Electronics最近在这篇文章中发表了这一发现。
多年来，计算机处理器已经缩小到纳米级，单个计算机芯片上有数十亿个晶体管。虽然晶体管数量的增加有助于使计算机更快、更强大，但它也会在高度密集的空间中产生更多的热点。如果没有一个有效的方式来消散热量操作期间，计算机处理器减速并导致不可靠的和低效率的计算。此外，计算机芯片高度集中的热量和飙升的温度需要额外的能量来防止处理器过热。
为了解决这个问题，胡和他的团队在 2018 年率先开发了一种新型超高热管理材料。研究人员在他们的实验室中开发出无缺陷的砷化硼，发现它在吸热和散热方面更加有效比其他已知的金属或半导体材料，如金刚石和碳化硅。现在，该团队通过将其集成到高功率设备中，首次成功证明了该材料的有效性。
微芯片封装和使用散热器冷却电子芯片的示意图。图片来源：H-Lab/加州大学洛杉矶分校
在他们的实验中，研究人员使用了计算机芯片和由氮化镓制成的最先进的宽带隙晶体管，称为高电子迁移率晶体管 (HEMT)。当处理器以接近最大容量运行时，使用砷化硼作为散热器的芯片显示出从室温到接近 188 华氏度的最大热量增加。这明显低于使用金刚石来散热的芯片，温度上升到大约 278 华氏度，或者使用碳化硅的芯片显示热量增加到大约 332 华氏度。
“这些结果清楚地表明，与使用传统热管理材料的处理器相比，砷化硼器件可以维持更高的运行功率，”胡说。“我们的实验是在大多数当前技术都会失败的条件下完成的。这一发展代表了一个新的基准性能，并显示出在高功率电子和未来电子封装中的巨大应用潜力。”
据胡说，砷化硼是热管理的理想选择，因为它不仅具有出色的导热性，而且还具有较低的热传输阻力。
“当热量从一种材料跨越边界到另一种材料时，进入下一种材料的速度通常会有所放缓，”胡说。“我们的砷化硼材料的主要特点是其热边界电阻非常低。这有点像热量只需要越过路缘，而不是跳过障碍。”
该团队还开发了磷化硼作为另一种优秀的散热器候选物。在他们的实验中，研究人员首先说明了使用砷化硼构建半导体结构的方法，然后将该材料集成到 HEMT芯片设计中。成功的演示为行业采用该技术开辟了道路。
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